1

Partea a III a Înregistrarea digitala a sunetului III.1. Sistemul Compact Disc CD Câteva notiuni de acustica Printr-o serie de experiente fundamentale s-a demonstrat ca oscilatiile acustice pot crea senzatia de sunet numai daca marimea si frecventa lor sunt cuprinse între anumite limite. Aceste limite definesc (încadreaza) un domeniu amplitudine - frecventa, numit domeniu de audibilitate, care are aspectul din figura3. 1.1.

Figura 3.1.1 Curbele izofone Fletcher-Munson.

Pentru reprezentarea convenabila a acestuia se tine seama de urmatoarele: 1.Senzatia diferentiala este proportionala cu variatia relativa a intensitatii sunetului si nu cu valoarea absoluta a acestuia (legea Weber-Fechner ). Cu alte cuvinte, la o crestere în progresie geometrica a intensitatii sunetului, senzatia sonora creste în progresie aritmetica. Aceasta justifica alegerea unei scari logaritmice pentru presiunea acustica si pentru intensitate. 2.Necesitatea alegerii unei scari logaritmice si pentru frecventa este determinata de constatarea experimentala ca variatia de înaltime ( marime subiectiva corespunzatoare frecventei ca marime obiectiva) este proportionala cu variatia relativa de frecventa. 3. Pentru a crea o senzatie de sunet, intensitatea sau presiunea trebuie sa depaseasca o anumita valoare numita prag de audibilitate. Acest prag este însa diferit pentru frecvente diferite. Sensibilitatea urechii este maxima (pragul de audibilitate are nivelul cel mai mic) în jurul frecventei de 1000 Hz. De aceea, exprimarea în decibeli în acustica se face pentru valoarea de prag de la 1000 Hz, considerându-se ca valori de referinta 2 x 10-5 N/m2 pentru presiune acustica si 10-

12 W/m2 pentru intensitate. Din grafic se observa ca daca unsunet are nivelul de 20 dB, atunci este audibil pentru o frecventa de 1000Hz, dar nu mai poate fi auzit daca frecventa are 50 Hz. Pentru a deveni audibil nivelul sau trebuie marit cu cea. 30dB (presiunea marita de 31,3 ori).

2

Dependenta sensibilitatii urechii de frecventa si de nivelul presiunii sonore este reprezentata în figura 3.1.2. Se observa din aceste curbe ca o reducere a volumului intensitatii sonore conduce pentru anumite nivele (în special sub 20 dB) la neaudibilitatea frecventelor joase (sub 200 Hz) si a celor înalte (peste 8 kHz). Pentru a obtine aceeasi senzatie de audibilitate (intensitate) pentru toate frecventele se va impune deci marirea nivelului de presiune acustica la capetele gamei audio de frecventa. 4. Daca nivelul de intensitate depaseste o anumita valoare, senzatia de sunet se transforma în senzatie de durere. Nivelul corespunzator constituie pragul de durere si la frecventa de 1000 Hz este de cea. 120 dB. Diferenta dintre nivelul sunetului corespunzator pragului de durere si cel corespunzator pragului de audibilitate se numeste gama dinamica. Gama dinamica este maxima la frecvente medii si are o valoare foarte mare, cea. 120 dB. 5. Pentru a crea senzatia de sunet, frecventa oscilatiei acustice trebuie sa fie cuprinsaîntre 20 Hz si 16000 Hz. Acest interval a fost luat în consideratie si pentru reprezentarea domeniului de audibilitate. Tinând seama de cele prezentate, se observa ca este foarte greu sa fie comparate doua sunete. O posibilitate este sa se identifice acele tonuri (frecvente) care suna la fel de tare pentru ureche (dau aceeasi senzatie), cum ar fi tonurile corespunzatoare pragului de audibilitate. Se poate astfel introduce ca unitate de masura a nivelului unui ton asa numitul fon, care este nivelul tonului de 1000 Hz care suna la fel de tare ca si tonul considerat. Se pot trasa astfel curbe de aceeasi intensitate sonora, numite curbe izofone. Acestea urmaresc la nivele joase pragul de audibilitate si se aplatizeaza spre nivele ridicate (vezi fig. 3.1.1). Fonul permite, deci, compararea a doua sunete si nu ordonarea propriu-zisa a acestora dupa intensitate. O a doua calitate subiectiva a unui sunet este înaltimea, care corespunde perceptiei frecventei. Corespondenta nu este o simpla proportionalitate. Variatia senzatiei de înaltime este mai slaba în domeniul frecventelor joase si mai pronuntata în domeniul frecventelor medii si înalte. Ca unitate de masura a înaltimii a fost ales melul numit astfel pornindu-se de la cuvantul melodic. O ultima calitate a unui sunet este timbrul, care face posibila diferentierea unor sunete complexe de aceeasi înaltime, dar cu structura spectrala diferita, cum ar fi, de exemplu, aceeasi nota muzicala emisa de doua instrumente diferite. La înlaturarea sunetului cu frecventa fundamentala, desi înaltimea sesizata ramane aceeasi, timbrul este diferit.

Fig.3.1.2.

3

Explicarea tuturor problemelor legate de procesul de percepre auditiva este dificila, chiar în situatia în care sunt luate în considerare numai sunetele pure. Specific este faptul ca perceptia unui sunet util are loc simultan cu perceperea unui alt sunet, nedorit. Omul are posibilitateainsa de a se concentra auditiv asupra sunetului emis de o anumita sursa sonora, posibilitate numita auz inteligent. Sunetul nedorit produce un efect de mascare sau de acoperire a sunetului util. Pentru a putea fi auzit, sunetului util trebuie sa i se ridice nivelul. Deci, pragul de audibilitate creste. Efectul de acoperire (mascare) se poate aprecia cantitativ prin masurarea gradului de ridicare a pragului de audibilitate. Rezultatele experimentale cu privire la efectul de acoperire au condus la urmatoarele concluzii: - efectul de acoperire este maxim pentru tonuri de frecvente apropiate de frecventa tonului acoperitor; - efectul de acoperire este neglijabil pentru frecvente joase si important pentru frecvente înalte (raportate la frecventa sunetului acoperitor); - semnalele cu spectru bogat produc un efect de acoperire important. O alta problema legata de perceptia auditiva este aceea de percepere diferentiata a sunetelor de frecvente diferite. Daca doua tonuri de frecvente departate sunt percepute distinct, nu acelasi lucru se poate spune de acele tonuri care au frecvente apropiate (sub 6 Hz). În acest caz urechea percepe un singur ton (cel cu frecventa mai mica) a carui tarie si inaltime variaza în ritmul frecventei diferenta. Este asa numitul fenomen de batai. Pe lânga sensibilitatea logaritmica în intensitate si în frecventa, urechea prezinta o sensibilitate neliniara la nivele mari ale intensitautii acustice, ceea ce conduce la aparitia (perceperea) unor tonuri noi, de fapt inexistente în sunetul natural. Toate aceste fenomene se regasesc numai în situatia în care sunetul este receptionat nemijlocit prin mediul aerian. Toate acestea trebuie avute în vedere atunci cand se efectueaza o modificare (prelucrare) a semnalului electric în vederea optimizarii anumitor parametri ai semnalului sonor sau a obtinerii unor efecte speciale. De aceste fenomene se va tine contin cele ce urmeaza. Inregistrarea audio-numerica este cea mai tânara dintre tehnicile electroacustice, dezvoltarea sa fiind posibila odata cu crearea circuitelor integrate pe scara larga si foarte larga, de mare complexitate si viteza de lucru, care au permis aplicarea metodelor numerice si în tehnica sunetului, în toate ramurile sale, de la înregistrare, prelucrare si memorare, la transmiterea si reproducerea semnalului audio. Ea a debutat în 1969, când a fost prezentata prima înregistrare audio numerica de catre firma japoneza Japan Broadcast Corporation. Incepând cu anii '80, tehnica numerica a patruns si în productia de masa prin magnetofoane, casetofoane, sisteme de citire a discului compact si în special prin casetoscoape sau magnetoscoape digitale. Reprezentarea numerica a semnalului audio ofera avantajul unei manipulari fara defecte, cu raport semnal/zgomot si coeficient de distorsiuni mult mai buni decât în cazul procedeelor analogice. Sub forma numerica semnalul poate fi

4

prelucrat printr-o multitudine de metode cu o precizie superioara prelucrarilor analogice. Sunt posibile de asemenea prelucrari suplimentare (introducerea reverberatiei si a altor efecte sonore, marirea raportului semnal/zgomot, egalizarea spectrelor, mixarea cu diferite ponderi a diverselor semnale) comandate cu calculatorul. Utilizând principii asemanatoare, în paralel cu semnalul audio se poate digitaliza semnalul video, care la rândul sau poate fi prelucrat si transformat în diverse moduri, operatiile complexe si nenumaratele efecte de sunet si imagine fiind comandate cu calculatorul. III.2 ÎNREGISTRAREA NUMERICA A SEMNALULUI AUDIO Inregistrarea audio numerica necesita o conversie analog numerica a semnalului audio, în urma careia acesta este transformat într-o succesiune de numere binare. Aceste numere la rândul lor sunt reprezentate printr-o succesiune de impulsuri codificate. Principalele sisteme de codificare a semnalului sunt: cu modularea impulsurilor în cod (MIC) si modularea delta (MD). In cele ce urmeaza ne vom referi exclusiv la sistemul cu modularea impulsurilor în cod (MIC). Conversia semnalului analogic în semnal digital modulat în cod (MIC) presupune parcurgerea a patru etape: filtrare, esantionare, cuantizare si codare. Pentru un semnal stereofonic aceasta conversie se face dupa schema bloc din figura 3.2.1.

Figura 3.2.1 Schema bloc a sistemului audio numeric de înregistrare.

Filtrul trece-jos. Semnalul analogic este preluat de la microfon si trecut printr-un filtru trece-jos cu panta abrupta pentru a i se limita banda la o frecventa maxima fm mai mica sau cel mult egala cu jumatate din frecventa de esantionare fe (aceasta deoarece trebuie respectata teorema lui Nyquist a esantionarii). Un filtru ideal este în mod normal prezentat ca având o caracteristica de frecventa constanta pâna la frecventa de taiere si o atenuare infinita dupa aceasta frecventa, cu o variatie liniara a fazei în banda de trecere. Un asemenea filtru exista însa numai din punct de vedere matematic, el putând fi în realitate

5

numai aproximat cu diverse grade de precizie. Orice filtru real va avea o rata finita a "caderii" caracteristicii de frecventa (fata de cea infinita în cazul celui ideal), precum si neliniaritati ale caracteristicii de faza. Din aceasta cauza, un filtru real va da la iesire un semnal care va diferi de cel de la intrare, chiar daca banda sa de trecere este mai mare decât a semnalului aplicat la intrarea sa.

Circuitul de esantionare-memorare. Dupa filtrare semnalul este transformat prin esantionare într-un semnal discret sub forma de trepte cu amplitudinea egala cu a semnalului audio la momente discrete de timp. Amplitudinea treptei este mentinuta constanta între doua momente de esantionare. Aceste operatii se realizeaza cu ajutorul unor circuite de esantionare-memorare (E/M sau S/H) (în limba engleza procesul este denumit sample-and-hold) a caror functionare este similara cu încarcarea-descarcarea unui condensator printr-un comutator. Semnalul rezultat la iesirea acestui circuit apare sub forma de trepte, asa cum este aratat în figura 3.2.2. Comutatorul este actionat de catre un impuls de durata relativ scurta, denumit impuls de esantionare. Atunci când la borna de intrare

apare semnalul analogic, iar comutatorul este închis de catre impulsul de esantionare, condensatorul se încarca cu o tensiune egala cu amplitudinea semnalului analogic la acel moment (valoare instantanee). Daca este redeschis comutatorul, condensatorul va retine valoarea instantanee pâna când comutatorul este închis din nou. In aceasta situatie condensatorul va prelua noua valoare instantanee a semnalului analogic. Esantionarea unui semnal se poate considera ca provine din multiplicarea acestuia cu functia de esantionare, care constituie o succesiune de impulsuri dreptunghiulare de amplitudine egala cu unitatea, durata ?T si frecventa de repetitie fe=1/T e.. Daca se admite ca procesul de esantionare reprezinta o multiplicare a functiei variabile în timp initiale cu functia de esantionare având amplitudinea 1, pe baza relatiilor de transformare Fourier rezulta ca spectrul de frecventa initial este multiplicat prin spectrul functiei de esantionare (deci, de componenta de curent continuu, si de componentele fe, 2fe, 3f). La multiplicarea prin componenta de curent continuu spectrul original se reproduce; la multiplicarea cu componenta de frecventa fe, se va obtine un spectru simetric în jurul frecventei fe deoarece când doua semnale armonice de frecvente diferite sunt multiplicate produsul contine sumele si diferentele celor doua frecvente. Daca banda semnalului original este fm, spectrul rezultat va avea ca limite frecventele fe-fm si fe+fm. In mod similar, la multiplicarea cu

Figura 3.2.2. Principiul de functionare al unui circuit de esantionare - memorare

6

componenta de frecventa 2fe, spectrul rezultat va avea ca limite frecventele 2 fe-fm si 2 fe+fm etc. Acest proces este reprezentat în figura 3.2.3. Daca se doreste refacerea semnalului original vor trebui eliminate spectrele centrate în jurul frecventelor fe, 2fe etc, ceea ce se realizeaza cu ajutorul unui filtru trece-jos. Daca banda acestui filtru este mai mare decât fm dar mai mica decât fe-fm, la iesirea filtrului se va obtine semnalul original.

Problema reconstituirii unui semnal esantionat ridica un aspect principial: cât trebuie sa fie valoarea frecventei de esantionare, pentru ca aceasta refacere sa se efectueze, cel putin teoretic fara pierderi, sau erori? Intuitiv, se observa ca, cu cât aceasta frecventa fe este mai mare, cu atât precizia refacerii semnalului din esantioane ar fi mai buna. O concluzie cantitativa în aceasta problema se poate trage cu ajutorul spectrelor semnalului esantionat. Se presupune ca filtral trece jos folosit pentru eliminarea spectrelor centrate în jurul frecventelor fe, 2fe etc. are exact banda semnalului fm având o caracteristica de transfer constanta în

banda de trecere (de la frecventa 0 la fm si o atenuare infinita în afara ei. Prin urmare, acesta nu va modifica spectrul original al semnalului si va elimina toate componentele spectrale de esantionare, din jurul frecventelor fe, 2fe etc. Pentru acest caz ideal rezulta imediat frecventa minima de esantionare matematic posibila. In figura 3.2.3 se vede ca limita inferioara a primului spectru care trebuie eliminat este fe-fm. Evident, în cazul unor caracteristici spectrale ideale limita pana la care se poate cobori fe pentru a obtine înca o eroare nula, rezulta din egalitatea celor doua frecvente limita ale spectrelor fm si fe-fm ceea ce inseamna fe= 2fm. Daca fe este mai mica decat aceasta limita, se poate intui însa ca cele doua spectre se vor suprapune partial si nu va mai putea fi posibila o separare a spectrului semnalului original de cel de esantionare (centrat în jurul lui fe), dupa cum se observa si în figura 3.2.3. Valoarea fe /2 se considera frecventa limita de suprapunere ("folding" frequency), iar fe = 2fm este valoarea minima a frecventei cu care un semnal având componente de frecventa pana la fm poate fi esantionat si refacut, teoretic, fara eroare. Acesta este, de fapt, enuntul teoremei lui Nyquist de care am mai amintit. Totusi, semnalele reale nu au caracteristicile spectrale ca ale unor filtre trece jos ideale. De asemenea, filtrele reale aplicabile pentru refacerea semnalelor esantionate difera apreciabil de cele ideale. Astfel, semnalul real prezinta o scadere a energiei specifice pentru frecventele superioare. Suprapus peste acest semnal exista un zgomot de banda larga al carui spectru se intinde peste cel al

Figura 3.2.3. Spectrul de frecventa al unui semnal esantionat

7

semnalului original, în domeniul frecventelor înalte. La muitiplicarea acestui amestec (semnal plus zgomot) cu semnalul de esantionare de frecventa fe se obtine un spectru rezultant care cuprinde spectrul original si spectrele simetrice centrate în jurul frecvenfelor fe, 2fe, etc. Pentru aceste conditii reale, în care spectrul original descreste cu o viteza de scadere finita si nu atinge niciodata o amplitudine zero, nu va putea exista o frecventa de esantionare fe egala cu dublul frecventelor maxime prezente în spectru. In plus, nu va exista nici un filtru real care sa poata avea o caracteristica de frecventa cazatoare cu o rata infinita pentru separarea spectrelor originale de cele de esantionare. Foarte adesea, în sistemele reale, refacerea semnalului trebuie obtinuta cu o întarziere minima. Acest deziderat impune restrictii suplimentare asupra filtrului folosit pentru refacerea semnalului original. Filtrele complexe care aproximeaza mai bine o caracteristica ideala au dezavantajul unui timp de intarziere mare. Marirea frecventei de esantionare conduce la indepartarea pozitiei spectrelor ecou, usurând rolul filtrului trece jos de iesire (existent la redare), care nu trebuie sa aiba panta prea abrupta, (conditie care favorizeaza regimul tranzitoriu si reduce complexitatea circuitului). In schimb se mareste considerabil viteza necesara de prelucrare a datelor binare si capacitatea de stocare, toate acestea marind sensibil pretul de cost. In plus, începând cu anumite valori ale frecventei, efectul calitativ nu mai este sesizat de ureche. Micsorarea frecventei de esantionare pânâ la limita inferioara 2fe este neeconomica datorita maririi complexitatii filtrelor analogice si digitale. Panta foarte abrupta a filtrului trece jos de iesire si banda foarte larga sunt cerinte care scumpesc circuitul si conduc la supracresteri mari în regimul tranzitoriu, evitate prin configuratii speciale mult mai complicate fata de ale unui filtru uzual. Ca urmare s-a adoptat raportul de 2,2 intre frecventa de esantionare si frecventa maxima din spectrul semnalului audio prelucrat. In prezent sunt utilizate trei frecvente de esantionare: - 48kHz: pentru sistemele video si cinema, unde banda audio merge pana la 20kHz; - 44,1kHz: discuri audio numerice (compact disc CD); - 32kHz: pentru aplicatiile de radiodifuziune si TV, unde o banda audio de 15kHz este suficienta. Convertorul analog-digital A/D (CAN). Dupa esantionarea semnalului analogic, valoarea amplitudinii este convertita intr-un cod binar. Semnalul analogic poate lua o infinitate de valori, dar numarul de coduri binare disponibile pentru reproducerea nivelelor analogice este finit. De aceea semnalul esantionat trebuie cuantizat. Prin cuantizare se atribuie fiecarui esantion o valoare numerica aleasa dintr-o multime finita de valori. Astfel domeniul de variatie al semnalului audio este impartit intr-un numar finit de intervale numite intervale de cuantizare, iar valorile esantioanelor memorate sunt rotunjite în plus sau în minus pâna la cel mai apropiat nivel de cuantizare. De exemplu, daca domeniul de 0...7V este impartt în 7 intervale, rezulta nivelele de cuantizare 0,1,...7. Oricarui esantion

8

avand amplitudinea cuprinsa intre 0 - 0,5V i se atribuie nivelul 0, esantioanelor de amplitudine cuprinsa intre 0,5 - 1,5V li se atribuie nivelul 1, s,.a.m.d. Codarea este operatia prin care se atribuie fiecarei valori a semnalului cuantizat un cuvant de cod, adica un set de numere binare, conform unui anumit cod. Foarte importanta pentru precizia prelucrarii este alegerea numarului de nivele de cuantizare. Utilizand un convertor A/D de n biti, rezulta 2n nivele de cuantizare si 2n-l intervale de cuantizare. Eroarea de cuantizare este definita ca diferenta între valoarea reala a semnalului esantionat si valoarea cuantizata. În cazul cuantizarii prin rotunjire aceasta este cel mult egala cu jumatatea intervalului de cuantizare. Daca nivelul semnalului este suficient de ridicat, secventele de erori de cuantizare pot fi echivalate cu un zgomot alb, numit zgomot de cuantizare, necorelat cu semnalul util. Formula de calcul a raportului semnal-zgomot este data de relatia:

20log 1,76S

N dBN

= +

unde : N=2neste numarul de nivele de cuantizare. Ca urmare stabilirea numarului de biti ai convertorului A/D se face în corcordanta cu raportul semnal/zgomot si gama dinamica cerute. Gama dinamica utila a organului auditiv uman poate atinge 130dB, în conditii obisnuite domeniul util fiind însa de cca. 90dB, deoarece sunetele slabe sunt mascate de zgomotul de fond, iar cele mai puternice produc senzatii neplacute urechii, pana la limita de durere. în salile de concert dinamica semnalului poate atinge 11OdB, iar zgomotul de fond la frecvente înalte nu depaseste 20dB. Rezulta ca pentru preluarea fara distorsiuni a acestor programe este necesara asigurarea unei game dinamice a echipamentului de inregistrare si redare de cca. 90dB. Daca semnalul sonor provine însa de la înregistrari analogice, care sunt mai putin performante, gama dinamica este mult mai redusa. De exemplu, pentru magnetofoanele de studio se cere 75dB. Pentru realizarea unei game dinamice de 90dB sunt necesari 15-16 biti de cuantizare (215-216 nivele de cuantizare). De aceea se utilizeaza CAN de 16 biti, convertoare care împart amplitudinea în 65536 intervale de cuantizare egale, au rezolutii de cateva zeci de microvotti si timpi de conversie de ordinul 1 – 2µs.

Raportul semnal/zgomot este dat de 1620log2 1,76 98S

dBN

= + = .

Trebuie avut în vedere ca un convertor pe 16 biti este de cca. 100 de ori mai scump decat unul de 12 biti. Un exemplu de convertor A/D este prezentat în figura 3.2.4. Tensiunea analogica de intrare E1, este comparata de catre un comparator A1 cu o tensiune în dinti de fierastrau ER. Aceasta din urma provine de la un integrator realizat cu A2. Atunci cand E1 si ER sunt egale, iesirea comparatorului A1 este comutata si blocheaza poarta NAND D1 la care sosesc impulsurile de numarare Clk. Numaratorul binar D2 este astfel oprit, iar continutul sau binar reprezinta valoarea digitizata a semnalului analogic de intrare. Un astfel de convertor este

9

necesar pe fiecare din cele doua canale. Acesta va furniza, deci, numere binare de 16 biti.

Multiplexorul 1. Semnalul "paralel" pe 16 biti de la iesirea convertorului A/D este transformat in semnal "serie" cu ajutorul unui multiplexor (MUX1, fig 3.2.1), care transfera rând pe rand, bit cu bit, semnalele binare de pe cele doua canale de sunet, deoarece acestea trebuie stocate unul dupa celalalt pe o singura pista. Codorul corector de erori. In continuare secventele binare corespunzatoare semnalului codificat se regrupeaza si se rearanjeaza

recurgandu-se si la introducerea unui numar de biti suplimentari necesari detectiei si corectiei erorilor. Rezulta noi numere binare (cuvinte de cod) corespunzatoare codului corector de erori utilizat. Posibilitatea corectarii erorilor reprezinta una din trasaturile principale care determina superioritatea sistemului digital fata de cel analogic. Erorile diferitelor suporturi de inregistrare se impart in: - erori aleatoare, ale unei cifre binare, provocate în special de zgomotul de fond; - erori înlantuite, ale unui grup de cifre binare de lungime mai mare sau mai mica, datorate unei manipulari gresite sau intretineri proaste; Pentru a crea posibilitatea corectiei acestor erori se procedeaza la intreteserea (impletirea) datelor numerice corespunzatoare modulatiei audio. Astfel, succesiunea lor originala este inlocuita cu o alta, succesiunea normala fiind reconstituita la redare. Blocul de subcodare de control si afisaj. Pentru a se permite sistemelor de redare preluarea unor comenzi suplimentare referitoare la ordinea de citire a pasajelor înregistrate, separarea unor secvente, afisarea unor date referitoare la continutul înregistrarii etc., sunt prevazute înformatii suplimentare de comanda si afisaj, care se codifica într-un bloc separat numit bloc de subcodare de control si afisaj. Aceste informati de control si afisaj nu sunt audibile. Informata subcodata se ataseaza la cuvantul de cod al semnalului. Multiplexorul 2. Simbolurile de 8 biti de la codorul corector de erori, care sunt fie simboluri de date, fie simboluri de paritate si cele de la codorul de control si afisaj sunt trecute prin cel de-al doilea multiplexor care le transfera intr-o anumita secventa spre modulatorul de canal. Generatorul de sincronizare. Deoarece datele sunt dispuse în blocuri, trebuie ca sa se poata detecta începutul si sfârsitul acestora. Generatorul de sincronizare creeaza o secventa unica, care nu este continuta în datele normale. Aceasta este trecuta prin canalul modulator care o aduna la datele de iesire la cererea unitatii de tact. Modulatorul de canal. In final, semnaiul sufera o noua transformare, numita modulare de canal care adapteaza caracteristicile datelor sursei de semnal, cu

Figura 3.2.4

10

cele ale canalului de înregistrare sau comunicatie. Semnalele de iesire din corectorul de erori si din blocul de subcodare de control si afisaj sunt ambele reprezentate in format NRZ care nu este recomandat pentru înregistrare. De aceea, se impune schimbarea codului, operatie realizata în modulatorul de canal. Cu alte cuvinte, modularea impulsurilor în cod (MIC) este reprezentarea unui numar binar printr-o succesiune de impulsuri, dupa un cod constituit dintr-un ansamblu de reguli bine definite. Semnalul ia deci forma unui tren de impulsuri la care fronturile pozitiv si negadv survin dupa o codificare, la momente de timp reperate de un ceas de sincronism. Regulile de codare trebuie alese în asa fel încât sa conduca la semnale care sa satisfaca conditiile: - sa permita autosincronizarea, adica posibilitatea de a stabili sau regasi frecventa de sincronism fs. - sa permita, la redare, o suficienta toleranta asupra pozitiei în timp a fronturilor impulsurilor. - sa conduca la un spectru al trenului de impulsuri care sa fie limitat superior si inferior la valori convenabile suportului de înregistrare si dispozitivelor de redare. - sa nu prezinte componenta continua, sau sa prezinte o valoare redusa a acesteia. Figura 3.2.5 prezinta cateva coduri MIC, dintre cele mai utilizate în prezent. Cele foarte simple nu mai sunt utilizate în audionumeric, dar este utila prezentarea lor pentru a întelege mecanismele si subtilitatile codurilor moderne.

Figura 3.2.5 Exemple de coduri MIC

Codul NRZ (Non Return to Zero) este cel mai simplu cod. O cifra 1 este inlocuita cu un nivel ridicat, iar o cifra 0 cu un nivel coborat. Având performante insuficiente, acest cod nu a fost folosit în audionumerie decat pentru sisteme experimentale rudimentare.

11

La codul NRZI (Non Return to Zero inverse) o cifra 1 determina o tranzitie la mijlocul unei semiperioade, in limp ce o cifra 0 nu determina nimic. Acest cod nu este folosit sub aceasta forma simpla, dar intervine la codul EFM descris mai jos. La codul PE (Phase Encoding) o cifra 1 determina o tranzitie ascendenta, iar o cifra 0 o tranzitie descendenta, la mijlocul fiecarei semiperioade. Acest cod nu se utlizeaza în prezent decât pentru informatii auxiliare de control sau de cod temporar. Codul BM (Biphase Mark) este folosit pentru transmisii între echipamente (console de mixaj, corectoare, dispozitive de reverberatie artificiala etc.) Acest cod cotine întotdeauna o tranzitie la inceputul fiecarei semiperioade. Pentru fiecare cifra 1 el prezinta o tranzitie la mijlocul semiperioadei. Un sir continuu de cifre 0 corespunde numai transmisiei frecventei de sincronism, de unde interesul pentru acest cod (componenta de curent continuu este scazuta). Codul MFM (Modified Frequency Modulation) este un cod NRZI imbunatatit: cifrele 0 consecutive prezinta tranzitii la frontiera dintre ele, ceea ce are ca efect micsorarea componentei continue de joasa frecventa din spectrul de impulsuri fata de celelalte codului NRZI. Acest cod este utilizat în anumite inregistrari magnetice. Codul HDM-1 (High Density Modulation no 1) este unul dintre codurile moderne cu înalte performante, utilizat pentru înregistrare magnetica cu capete magnetice stationare si de foarte mare densitate. O cifra 0 urmata de o cifra 1 este codata printr-o tranzitie la mijlocul semiperioadei cifrei 1.0 secventa de cifre 1 consecutive este impartita în grupuri de câte doua, urmate de o grupa de trei, daca numarul lor este impar si are loc o tranzirie la frontiera fiecarei grupe. Un tren de cifre 0 consecutive este codat folosind o metoda mai complicata: tranziriile sunt prevazute la începutul semiperioadelor, dar fiecare dintre ele este departata la cel putin 3,5 semiperioade de cea imediat precedenta, iar urmatoarea survine la cel putin 1,5 semiperioade înaintea tranzitiei asociate cifrei 1 urmatoare. Intervalul maxim de timp între doua tranzitii consecutive este de 4,5 semiperioade. Codul EFM (Eight-to-Fourteen Modulation) este un cod de tip NRZI, dar cu o conversie prealabila a unui grup de 8 cifre binare de codat, intr-un alt grup de 14 cifre binare. Tabla de corespondenta a fost stabilita de asa maniera pentru a se otine pentru fiecare din cele 28 grupe de 14 cifre binare cel putin doua cifere de 0, dar nu mai putin de zece cifre de 0 intre fiecare pereche de cifre 1. La fiecare grupa astfel formata sunt adaugate trei cifre binare suplimentare dupa o metoda ce urmareste reducerea partii de joasa frecventa a spectrului trenului de impulsuri. Astfel la 8 cifre ce trebuie codate vor corespunde 17 cifre, ceea ce implica o frecventa de sincronism 17/8 ori mai mare, mult mai ridicata decat a altor coduri. Acest cod se foloseste la sistemul Compact Disc. Se obtine în final semnalul numeric, care cuprinde atât bitii corespunzatori esantioanelor de semnal, cât si cei necesari corectiei erorilor, formarii codului de canal, sincronizarii, comenzilor si afisajului. De exemplu, pentru inregistrarea sunetului însotitor în TV digitala formatul cuvantului de cod cuprinde in total 360 biti, din care 128 sunt proveniti din esantionarea semnalului, 64 sunt pentru

12

corectia erorilor, 144 pentru formarea codului de canal, 24 pentru identificare, dirijare si sincronizare. La redare se parcurge un procedeu invers celui de la înregistrare, conform cu schema bloc din figura 3.2.6:

Figura 3.2.6 Schema bloc a sistemului audio numeric de redare

Semnalul receptionat sau citit de pe banda sau disc se demoduleaza extragandu-se cuvintele de cod ale modulatiei utile. Pentru aceasta, un semnal de tact este extras din semnalul de intrare. Acest semnal de tact este utilizat pentru reconstructia valorilor binare originale în blocul denumit demodulator. Simbolurile care parasesc demodulatorul sunt introduse intr-un corector de erori unde se verifica aparitia erorilor de citire sau transmisie si se corecteaza acestea pe cât posibil. Numarul de erori care pot fi corectate este însa limitat. Atunci cand corectorul de erori este incapabil sa corecteze toate erorile, informatia este trecuta într-un alt bloc numit bloc de interpolare si muting în care valoarea unui esantion poate fi dedusa prin interpolare din valorile celui precedent si a celui imediat urmator. In cazul în care si aceste esantioane lipsesc, corectia nu este posibila si semnalul este blocat (in limba engleza muted). De la blocul de interpolare si muting semnalul intra intr-un filtru digital care filtreaza zgomotele

si separa semnalul de pe canalul drept de cel de pe canalul stâng. Semnalul la iesirea filtrului este înca un semnal digital si de aceea se impune conversia digital-analogica (D/A). Aceasta este realizata in convertorul digital-analogic D/A Schema bloc precum si componente ale acestuia sunt prezentate în continuare. Figura 3.2.7 arata circuitul de baza pentru o sursa de curent. Curentul 2I este impartit in I1 si I2; acesti curenti sunt aproape egali unul cu celalalt, dar vor apare mici deviatii ?1I si ?2I. Suma curentilor este mereu egala cu 21, in consecinta ?1I + ?2I = 0.

Figura 3.2.8 prezinta un circuit în care sunt conectate similar patru tranzistoare. Colectoarele acestora sunt conectate printr-o matrice la patru comutatoare, care la randul lor sunt legate la trei iesiri. Comutatoarele sunt actionate de catre un impuls de tact. La fiecare impuls de tact comutatoarele vor face un pas. Dupa patru pasi ele se întorc în pozitia initiala aratata în figura. Curentii I1, I2 si I3 sunt egali cu I, I si respectiv 2I, (considerând ? !I+ ?2J+?3I+ ?4I=0). Proportiile între curentii I1,I2,I3, sunt determinate cu precizie ca fund: I1 : I2:13 = I:I:2I=1:1:2.

Figura 3.2.7 Circuitul de baza al unei surse de curent

13

Proportiile între curenti se mentin aceleasi si când referinta de curent este egala cu 2I in loc de 4I:

1 2 3 41

1 2 3 42

1 2 3 43

44

44

42

4

I I I I II I

I I I I II I

I I I I II I

+ ∆ + ∆ + ∆ + ∆= =

+ ∆ + ∆ + ∆ + ∆= =

+ ∆ + ∆ + ∆ + ∆ = ∗ =

In figura 3.2.9 sunt montate în cascada mai multe celule cu iesirile în curent aflate în proportiile 1:1:2. Fiecare iesire de dupa cea de I are un curent egal cu o jumatate din cel al iesirii precedente. In acest fel este posibil sa se aloce o ponderare binara a iesirilor în curent. In figura 3.2.10 iesirile în curent sunt conectate la comutatoare care interconecteaza aceste iesiri la iesirea convertorului D/A sau la tensiunea de alimentare. Comutatoarele sunt actionate de catre codul binar care trebuie convertit intr -un curent analogic. In figura este prezentat codul binar 00101110100100 (2980). Curentul corespondent este:

2048744

41

161

641

2561

20481

=

++++

I

Atunci cand I = 1mA, curentul va fi de 0,3632812mA.

Figura 3.2.8 Schema de principiu Figura 3.2.9 Montarea in cascada a mai multor a unei celule cu iesirile in curent celule cu iesirile in curent aflate in proportiile 1:1:2 aflate in proportiile 1:1:2

14

Figura 3.2.10 Principiul de functionare al unui convertor D/A

Dupa trecerea semnalului printr-un filtru analogic trece-jos care elimina orice frecventa ramasa deasupra benzii audio se va obtine la iesire semnalul original. III. 2.1 DESCRIEREA SCHEMEI BLOC GENERALE A SISTEMULUI COMPACT DISC

O trasatura distinctiva a sistemului Compact Disc este aceea ca informatia este stocata pe un disc reflectorizant care este citit cu ajutorul unui lector optic. Informatia este înmagazinata sub forma digitala si este reprezentata de doua nivele electrice, de exemplu OV si +5V. In interiorul lectorului informatia este demodulata si erorile existente sunt, pe cât posibil, corectate înainte ca un convertor digital analogic sa reconverteasca semnalul digital în semnalul analogic original. Schema bloc generala a sistemului Compact Disc este prezentata în figura 3.2.11. Sistemul optic este compus dintr-un laser, un set de lentile si din diode

fotosensibile (fotodiode). Sistemul de lentile asigura focliazarea corecta a spotului pe suprafata discului, iar fotodioda transforma lumina reflectata în semnal

Figura 3.2.11 Schema bloc generala a sistemului Compact Disc

15

electric. Informatia este prezenta pe disc sub forma unor mici adâncituri pentru nivel coborât (0 logic) si suprafete netede pentru nivel ridicat (1 logic), formate într-o suprafata reflectanta. Lumina care este reflectata de aceste mici adâncituri si este detectata de catre fotodiode interfera cu cea reflectata de catre suprafetele netede dintre adâncituri. Acest lucru are ca efect variatia semnalului electric care strabate fotodiodele. In timpul citirii discului lectorul optic urmareste pista cu mare precizie. Prin utilizarea mai multor fotodiode devine posibila masurarea deviatiei si se poate corecta pozitia bratului care sustine lectorul optic. Viteza cu care este rotit discul necesita de asemenea un control riguros pentru a se asigura o rata constanta de recuperare a semnalului. Pentru a realiza acest lucru, viteza de rotatie a discului este masurata si în cazul în care este prea mare platanul pe care este dispus discul este frânat, iar daca este prea mica acesta este accelerat. O cerinta esentiala pentru functionarea corecta a sistemului este aceea ca raza laser sa fie perfect focalizata pe pista ce contine informatia. Precizia focalizarii poate fi determinata prin intermediul razei reflectate. Daca sistemul de citire este defocalizat este realizata o corectie prin controlul obiectivului. în acest scop, obiectivul este mobil pe o directie verticala si poate fi controlat electric. Un microcomputer controleaza toate operatiile si citeste tastatura, astfel încât cuprinde toate functiile. III.2.2 Notiuni de optica Radiatia luminoasa folosita în tehnica CD este provenita de la o dioda laser si are lungimea de unda corespunzatoare în infrarosu apropiat, ? ∈ (0,7-0,8 µm). Lungimea de unda ? este data de raportul dintre viteza de propagare si frecventa radiatiei ? = c/f, unde c este viteza de propagare a luminii în vid c = 3x10 8 m/s. La parcurgerea unui mediu oarecare altul decât vidul, viteza de propagare se micsoreaza, iar lungimea de unda creste conform relatiei 1 1 1

mediu vidn f nλ λ= × = × , unde ”n” este indicele de refractie.

Radiatia laser este considerata ca fiind o radiatie monocroma si coerenta fiind caracterizata de o singura frecventa si aceeasi faza a fotonilor emisi de dioda laser . Aceste caracteristici ale radiatiei laser sunt folosite pentru a putea focaliza cu precizie fascicolul de lumina si de a citi corect informatia imprimata pe pistele discului compact. Fascicolul de lumina laser poate avea urmatoarele trei aspecte geometrice.

16

• fascicul paralel - când sectiunea sa perpendiculara pe directia de propagare este practic aceeasi pe durata parcursului;

• fascicul convergent -când sectiunea sa perpendiculara pe directia de propagare se micsoreaza cu distanta, ajungând punctiforma la o anumita distanta (punctul focal);

• fascicul divergent - când sectiunea sa perpendiculara pe directia de propagare creste cu distanta, fasciculul având tendinta sa se disperseze.

În contact cu o suprafata de separatie dintre doua medii cu proprietati optice diferite, fascicolul poate suferi urmatoarele transformari: reflectat, absorbit, refractat (sau transmis în continuare prin noul mediu). -Reflexia este fenomenul prin care o raza de lumina paralela incidenta, îsi schimba directia de propagare la intâlnirea unei suprafete plane, reflectorizanta. Unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidenta masurat fata de normala la suprafata de reflexie.

Θ1 Θ2

N (normala)

Undaincidenta

Unda reflectata

Figura 3.2.12

Pentru un fascicul luminos paralel, cele doua legi care guverneaza reflexia coerenta sunt (vezi fig. 3.2.12): 1- unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidenta (?2= ?1) 2- unda incidenta, unda reflectata si normala (perpendiculara ridicata în punctul de incidenta pe suprafata reflectorizanta) se afla în acelasi plan. -Refractia. Fenomenul consta în schimbarea unghiului de propagare a radiatiei luminoase la schimbarea mediului de prapagare. Acest lucru se întâmpla când radiatia luminoasa nu este perpendiculara pe suprafata de contact cu noul mediu de propagare. Situatia este repre-

17

zentata în figura 3.2.13 iar legea fizica este exprimata de formula: sin?1/sin ?2 = n, unde ?1 si ?2 sunt unghiurile de incidenta respectiv de refractie ale fasciculului luminos (fata de normala la suprafata de sepa-rare), iar prin “n ” se noteaza coeficientul de refractie, o marime caracteristica a mediilor de propagare.

Radiatia luminoasa este de natura electromagnetica fiind caracterizata de vectorii E si H, care sunt perpendiculari între ei si pe directia de propagare. Pentru o radiatie nepolarizata, fotonii ce constituie fascicolul luminos au vectorii E si H orientati aleator unul fata de altul (orientari diferite de la foton la foton). Daca printr-un procedeu oarecare vectorii E si H ai tuturor fotonilor sunt orientate paralel,

atunci raza de lumina se numeste liniar polarizata si acest lucru îi confera anumite proprietati în procesul de propagare (mai ales prin medii anizotrope). -Lentila subtire circulara (fig. 3.2.14) . Are proprietatea ca un fascicul luminos paralel, cu diametrul D, si paralel cu axa optica, dupa parcurgerea lentilei devine convergent, adica schimbându-si forma se concentreaza într-un punct aflat pe axa optica a lentilei. Acest punct este cunoscut sub numele de focar, sau punct focal si se noteaza cu ”f”.

Distanta focala

Focar “ ”f Axa opticaDRadiatia

incidenta(fasciculparallel)

Figura 3.2.14

Pentru caracterizarea lentilelor sunt folositi doi parametri: · numarul focal f/D, unde f este distanta focala iar D diametrul lentilei · apertura numerica (NA - Numerical Aperture) definit ca: n x sin? unde n este indicele de refractie al mediului (n = 1 pentru aer) si ? este jumatatea unghiului maxim de acceptare a luminii.

Θ1

Θ2

Unda incidenta

Undarefractata

Mediul 1(mai putin dens)

sin 1/sin = nθ θ2

Mediul 2(mai dens)

Figura 3.2.13

18

-Lentila cilindrica provine din sectionarea unui cilindru si datorita asimetriei, are comportament diferit în plan vertical si orizontal fig. 3.2.15

f1

f2

Vedere de sus

Vedere laterala

Fascicul laser convergentcu focarul f2

Sectiunea spotului circulara

Sectiunea degeneratain dreapta verticala

B

A

C

Lentila cilindrica

Sectiunea spotului circulara

Figura 3.2.15

Are o proprietate foarte interesanta, atunci când se trimite pe fata

plana un fascicol de lumina convergent, (vezi figura) provenit de la o lentila cilindrica, având distanta focala f2, în plan orizontal raza convergenta devine si mai convergenta, focalizindu-se în punctual f1. In plan vertical raza convergenta este nedeviata, ajungând în planul focal f2. Din combinarea celor 2 directii, rezulta ca spotul luminos initial (conic) care avea la intrarea în lentila cilindrica o sectiune circulara, se va transforma într-un spot cu sectiune eliptica. În pozitiile planului focal f1 si f2 elipsele se îngusteaza si devin niste linii (perpendiculare între ele, vezi pozitia B si C din fig 3.2.15) între aceste extreme, spotul va avea sectiune eliptica, cu axa mare a acestora avind directia diferita în spatiu, functie de distanta fata de lentila. Un caz particular este pozitia A, unde sectiunea spotului devine din nou cerc. Aceasta proprietate va fi folosita pentru sesizarea focalizarii

19

corecte a spotului laser de citire pe pista inscriptionata cu informatia digitala. -Grila de difractie

Fasciculincident

Fascicul principal

Fascicul secundarde difractie

Fascicul secundarde difractie

Θ

Θ

Grila de difractie

Figura 3.2.16

La trecerea unui fascicul luminos (monocrom) printr-o grila cu gauri foarte mici, având dimensiunile apropite de cele de lungimi de unda a radiatiei respective, functie de dimensiunile gaurii (aperturii) pot apare, în afara de radiatia pe directia principala, si directii noi de propagare, (2, 4, etc). Se pot alege dimensiunile grilei astfel încât pe lânga spotul principal sa mai apara înca doua spoturi secundare, sub unghiul de deviere ? (fig. 3.2.16).Aceste doua fascicule secundare sunt folosite pentru controlul urmaririi pistei în timpul citirii datelor. III.2.3 Sistemul optic al unui CD – variante constructive O prezentare foarte simplificata, de la care vom porni prezentarea diferitelor variante constructive ale sistemului optic este dat în fig. 3.2.17. Razele laser, care sunt emise sub un unghi ?, ajung la o prisma semitransparenta pe care o parcurg în directie verticala. Dupa prisma, fascicolul trece printr-o combinatie de lentile colimator, care transforma fascicolul devergent într-unul paralel. În continuare, fascicolul strabate lentila de focalizare (pozitioner), care poate avea o miscare comandata în plan vertical, astfel încât fascicolul laser sa fie focalizat pe suprafata reflectorizanta a discului (pe pistele cu informatia digitala). Semnalul reflectat contine informatia digitala sub forma de intensitate luminoasa variabila si urmeaza calea inversa pâna la prisma,

20

de unde este refectata sub un unghi de cca 90° catre fotodetector. Acesta transforma intensitatea luminoasa variabila în semnal electric, care dupa o prelucrare corespunzatoare va fi transformat în semnalul audio analogic initial.

Indiferent de constructia sistemului optic de citire, acesta trebuie sa furnizeze urmatoarele categorii de semnale: -Semnalul de date sau de radiofrecventa notat D sau RF -Semnalul de eroare de focalizare, notat F. Acest semnal este folosit de servomecanismul pozitionerului pentru deplasarea optima a lentilei de focalizare. -Semnalul de urmarire corecta a pistei (tracking) notat TK. Acest semnal este folosit se servomecanismul de deplasare

radiala a capului optic de citire. -Sistemul optic de citire cu 3 fascicule In fig 3.2.18 este data schema unui sistem optic care utilizeaza trei fascicule: unul pentru citirea informatiei digitale, iar celelalte doua pentru urmarirea automata a pistei.

Figura 3.2.18 Sistem optic de citire cu trei fascicule

Figura.3.2.17 Lectorul optic

21

Fata de schema generala din fig.3.2.17 în fig. 3.2.18 apare în plus grila de difractie, lentila cilindrica si fotocelula multipla, care contine detector optic pentru spotul central, purtator al informatiei digitale si detectoarele optice ale spoturilor laterale care contin informatia de eroare de urmarire a pistei. Dupa parcurgerea grilei de difractie (vezi explicatiile de la cap III 2.2) spotului principal i se mai adauga înca doua spoturi laterale. Acestea parcurg acelasi traseu ca si spotul principal si în final ajung pe doua fotodiode speciale pentru detectarea erorii de urmarire (tracking) (fotodiodele E si F din fig 3.2.19). Deasemeni în plus fata de fig 3.2.17 apare în fig 3.2.18 si lentila cilindrica, a carei functionare a fost descrisa în paragraful III 2.2. În cazul unei corecte focalizari (o corecta comanda a pozitionerului) spotul reflectat ajunge cu sectiunea transversala de forma circulara pe fotodiodele ABCD (fig 3.2.19). În cazul unei erori de focalizare, (prea aproape sau prea departe de suprafata discului), atunci sectiunea spotului devine o elipsa pozitionata ca în detaliul din fig. 3.2.19.b. respectiv fig.3.2.19.c.

Sectiunea spotului luminos

( b) ( c)

( a)

Figura 3.2.19

22

Spotul principal este focalizat pe detectorul de date format din patru fotoelemente ABCD. Prin sumarea semnalului de la aceste fotodiode se obtine semnalul de date simbolizat prin D = A+B+C+D Tot din analiza semnalului provenit de la fotodiodele ABCD se obtine semnalul de focalizare corecta, simbolizat prin F. Dupa cum se observa din figura, acesta este zero în cazul focalizarii corecte, pozitiv sau negativ daca polarizarea este incorecta. De pe fotodiodele E si F se culege semnalul de urmarire a pistei. În cazul în care cele doua semnale E si F sunt egale (TK = 0), atunci înseamna ca spotul principal este focalizat pe centrul pistei, daca semnalul de eroare este diferit de zero, atunci spotul tinde sa paraseasca pista. Acest semnal este utilizat în bucla de reglare a servomecanismului de urmarire a pistei, În fig 3.2.20 este data pozitia celor trei spoturi focalizate corect, fata de o pista oarecare, în trei situatii. În fig. 3.2.20.a pozitionarea este corecta, iar în fig 3.2.20.b. si c. pozitionarea este incorecta.

Figura 3.2.20. Pozitia celor trei spoturi la citirea discului a, b – pozitionare incorecta ; c- pozitionare corecta -Sistemul optic de citire cu un singur fascicul Schema sistemului optic de citire cu un singur fascicul este data în fig fig 3.2.21. Fata de cazul precedent lipseste grila de difractie.

23

Structura detectorului foto este prezentata în fig 3.2.22 A,B,C,D,E,F. sunt niste arii de fotodiode. Si în acest caz sunt asigurate cele trei semnale necesare functionarii sistemului optic si anume: - semnalul de date (D), furnizat de fotodiodele ABCD, similar ca în cazul sistemului optic cu 3 fascicule. Fotodetectoarele E si F cu rolul de a mari sensibilitatea detectorului, mai ales în momentele de cautare a focalizarii corecte, -semnalul de focalizare corecta, (F), obtinut datorita lentilei cilindrice în mod asemanator ca la sistemul cu trei fascicule, -semnalul de urmarire a pistei (TK) obtinut prin compararea fazelor semnalelor furnizate de cele 4 fotodetectoare (ABCD), fata de momentul intrarii spotului luminos pe acestea. Situatia de corecta centrare pe pista, precum si doua cazuri de urmarire incorecta a pistei este prezentata în fig 3.2.23.a.b.c. III.2.4. Blocuri functionale ale sistemului CD -Laserul folosit în sistemul CD (fig. 3.2.24) este un laser cu semiconductori. Acest laser genereaza doua raze luminoase: o raza principala si una secundara. Raza principala, dupa ce strabate prisma si setul de lentile, întâlneste suprafata discului, este reflectata si devine apoi purtatorul de informatie. Raza secundara întâlneste o fotodioda care este încorporata în carcasa laserului. între intensitatile razelor principala si secundara exista o relatie bine stabilita.

Figura 3.2.24 Constructia laserului

Figura 3.2.25. Constructia prismei semireflectante

24

Este important ca intensitatea luminoasa care întâlneste discul sa fie mentinuta pe cât posibil constanta. Acesta intensitate este dependenta de curentul care strabate laserul si de temperatura. In consecinta, ea va fi mentinuta constanta prin controlul curentului. Acesta este masurat prin intermediul razei secundare, mai precis cu ajutorul fotodiodei situate sub laser. Semnalul prin aceasta dioda este introdus în partea de alimentare a laserului, într-o retea de reactie negativa, determinând curentul prin acesta si respectiv intensitatea luminoasa. Daca intensitatea este prea scazuta, curentul prin dioda va fi de asemenea mic si intensitatea razei laser va fi marita. Daca intensitatea este prea ridicata, curentul prin dioda va fi de asemenea mare si intensitatea razei laser va fi redusa. -Prisma semireflectanta (fig. 3.2.25) ofera o trecere neperturbata a spotului laser catre disc. Raza reflectata de catre suprafata discului este deviata de catre prisma în directia fotodiodelor. –Fotodiodele (fotodetectoarele) convertesc modulatia în intensitate a razei reflectate într-un semnal electric. De obicei se folosesc patru fotodiode, în doua grupuri de câte doua, departate foarte putin unul de celalalt. O jumatate din raza luminoasa cade pe. o pereche de fotodiode, iar cealalta jumatate pe cealalta pereche. Pentru obtinerea unei perfecte despicari a fasciculului luminos în doua raze egale, o fata a prismei este slefuita în forma de pana. Printr-o combinare potrivita a semnalelor provenite de la fotodiode este posibil sa se obtina atât informatia sonora, cât si semnalele de eroare necesare focalizarii corecte si a deplasarii radiale a lectorului optic. Dupa ce raza laser paraseste prisma in directia 5, spre disc, întâlneste un colimator unde fascicolul divergent este transformat într-un fascicul paralel. Avantajul unui fascicul paralel este acela ca distanta între colimator si urmatoarea lentila nu trebuie sa influenteze functionarea setului de lentile. Acest lucru este cerut de faptul ca obiectivul (fig. 3.2.26) care urmeaza dupa colimator trebuie sa se miste pe o directie verticala pentru a mentine focalizarea perfecta, corelata cu miscarea verticala a discului datorata tolerantelor. Functia obiectivului este de a focaliza raza luminoasa pe suprafata discului. Obiectivul trebuie sa se poata misca într-o directie verticala. Daca distanta dintre disc si obiectiv variaza, aceasta facilitate face posibila mentinerea unei focalizari corecte prin ajustarea pozitiei obiectivului. Obiectivul este montat pe un inel de material magnetic. Acesta este atasat la un lagar prin intermediul a doua suspensii elastice. Acest lagar contine o bobina care produce un câmp magnetic atunci când este strabatuta de catre un curent electric. Acest câmp magnetic fiind proportional cu valoarea curentului ce traverseaza bobina, exercita a forta asupra materialului magnetic pe care este montat obiectivul. In acest mod se poate realiza miscarea acestuia din urma în sus sau în jos, depinzând de polaritatea si amplitudinea

Figura 3.2.26 Constructia obiectivului

25

curentului prin bobina. Se poate întâmpla ca, din diferite cauze, cum ar fi particulele de praf, murdarirea lentilei,etc, functionarea lentilelor sa fie afectata. Pot apare astfel starturi false, pasaje neaudibile, schimbari de viteza, distorsiuni etc. Tinând cont de faptul ca lentilele nu pot fi curatate prin metode obisnuite, o serie de firme specializate pun la dispozitia marelui public CD-uri pentru realizarea acestui lucru. Acestea sunt asemanatoare cu cele obisnuite cu deosebirea ca au încorporata prin constructie o perie pentru curatire. Când se introduc în aparat, tonurile de test care nu sunt audibile pozitioneaza discul, aliniaza peria si lentilele si apoi antreneaza discul într-o miscare circulara rapida, trecând peria antistatica direct peste lentilele optice. Atunci când operatia de curatare este terminata, tonurile de test opresc ciclul de redare (iar la unele aparate chiar ejecteaza discul). III. 2.5 URMARIREA PISTEI In timpul citirii discului lectorul optic trebuie sa urmareasca pista cu mare precizie pentru a se asigura culegerea unui semnal corect. Întrucât orice contact între lector si disc este absent, urmarirea trebuie sa se realizeze prin mijloace electronice. Pentru acest lucru este utilizata raza laser reflectata. Asa cum s-a aratat, pentru a se mentine constanta distanta dintre disc si obiectiv, acesta din urma trebuie sa poata culisa într-o directie verticala. Prin trecerea unui curent mai mic sau mai mare printr-o bobina se poate realiza deplasarea obiectivului, de exemplu în jos, pe o distanta mai mica sau mai mare. Prin inversarea sensului curentului se va realiza deplasarea în sus a obiectivului. Orice eroare de focalizare este detectata printr-un semnal de eroare provenit de la raza luminoasa reflectata pe fotodiode si acest semnal este folosit pentru a controla focalizarea printr-un servosistem controlat de un microcomputer. Daca punctul de focalizare coincide cu suprafata discului, atunci punctul de focalizare al luminii reflectate coincide de asemenea cu fotodiodele. O distanta prea mica sau prea mare între disc si obiectiv va cauza o defocalizare a sistemului si, în consecinta, acest lucru va fi sesizat de fotodiodele ce constituie fotodetectorul.

26

Dispunerea potrivita a acestor fotodiode permite determinarea faptului daca sistemul este perfect focalizat si sa corecteze, daca este necesar, distanta între obiectiv si disc. III.2.6 MICROPROCESORUL Diferite functiuni în sistemul Compact Disc necesita anumite corectii si de asemenea, comenzile primite de la tastatura trebuie sa fie procesate. Pentru a realiza aceste lucruri este utilizat un microcomputer. Acesta verifica diferitele functiuni pentru operare corecta si asigura realizarea în ordine a acestora. Lucrurile pe care un computer trebuie sa le monitorizeze sunt: - Este sistemul perfect focalizat? - Numarul de biti pe unitatea de timp este corect? - Este urmarita corect pista? - A fost apasata o tasta la tastatura? Toate aceste lucruri sunt verificate si, în cazul unei deviatii, sunt generate semnale pentru determinarea unei functionari corecte a echipamentului. Ciclul microprocesorului contine un program fix pentru examinarea tastaturii; acest program este rulat la intervale de timp fixe. Daca este apasata o tasta, microprocesorul vede care comanda trebuie realizata prin înstiintarea circuitelor asociate. III.2.7 SERVOSISTEMUL Numeroasele miscari mecanice în sistemul Compact Disc necesita un control riguros. Aceste miscari sunt: urmarirea pistei, focalizare si viteza platanului rotitor. Controlul acestor miscari meca-nice este realizat de diverse servosisteme. Pentru a întelege mai bine problemele ridicate, vom începe prin a expune principiul unui sistem automat de control (reglaj), sistem reprezentat schematic în figura 3.2.27. X - valoarea dorita (de referinta); Y - valoarea actuala; e - semnal de eroare; G- functia de transfer a sistemului. Avem relatiile: e = X-Y Y =e G deci:

( )11

X GG Y X G

Y G+ ⋅ = ⋅ ⇒ =

+

Aceasta formula conduce la concluzia ca sistemul va deveni instabil atunci când G = -1. Aceasta se întâmpla atunci când G = 1, iar deviatia de faza este de 180°, situatie ce trebuie evitata.

Figura 3.2.29

27

Functia de transfer a unui sistem care cuprinde un motor, sau ceva care reactioneaza ca un motor, poate fi descrisa ca o functie de ordinul 2, cu o caracteristica în frecventa a amplitudinii de -12dB/octava. Dupa cum se arata în figura 3.2.28, daca nu se iau unele precautii, sistemul va deveni instabil ori de câte ori câstigul va fi egal cu unitatea. Din acest motiv multe sisteme sunt implementate cu o asa numita retea de defazare, care da o defazare de 90°, având o caracteristica în frecventa de -6dB/octava.

Figura 3.2.28 Caracteristicile de frecventa si faza pentru sistemul automat de control Constanta de timp a retelei de defazare trebuie aleasa astfel încât sa apara o defazare de 90° atunci când G = 1. Toate servosistemele folosite în sistemul Compact Disc contin o retea de defazare pentru a le mentine stabile. Problema care apare este dependenta câstigului de mai multi factori, a caror variatie poate determina ca acesta sa fie egal cu unitatea într-un punct situat în afara punctelor de intersectie ale retelei de defazare, asa cum se arata tot în figura 4.20. Este recomandabil sa se tina constant pe cât posibil câstigul. Acest lucru se poate realiza prin controlul acestuia, asa dupa cum se procedeaza la urmarirea radiala. III 2.7.1 SISTEMUL DE URMARIRE RADIALA Lectorul optic este atasat unui brat care se misca într-un plan orizontal. Miscarea bratului se realizeaza prin miscarea unei bobine, la trecerea unui curent prin

aceasta, asa cum este aratat în figura 3.2.29. Informatii despre pozitia lectorului optic fata de pista discului se obtin prin masurarea intensitatii luminoase care cade pe fotodiode.

Fig. 3.2.29

28

Asa cum am aratat, pentru a face ca raza luminoasa sa cada pe fotodiode, o fata a prismei este slefuita în forma de pana(pentru varianta de analiza cu un singur spot laser, fara grila de difractie). Ca rezultat al acestei operatii, raza reflectata se împarte în doua fascicule, care cad fiecare pe câte o pereche de fotodiode, dupa cum este aratat înfigura 4.22. Vom nota cu: (i1+i2)-semnalul provenit de la prima pereche de fotodiode, iar cu (i3+ i4) - semnalul provenit de la cea de-a doua pereche de fotodiode. Semnalul de eroare radiala RE consta în diferenta dintre cele doua semnale: RE = (i1+i2) - (i3+ i4) Semnalul poate fi afectat de o serie de factori care pot face sistemul instabil. Acesti factori sunt: -o posibila deviatie a unghiului pe care discul trebuie sa-1 faca fata de lectorul optic; unghiul bratului fata de pista (în centrul discului si la marginea acestuia); - o posibila asimetrie a spotului; - intensitatea spotului; - reflectivitatea suprafetei discului.

Fig. 3.2.30

Fig 3.2.33

Fig. 3.2.31

29

Primii doi dintre acesti factori sunt prezentati în figura 3.2.31. Un spot asimetric, rezultat dintr-o deviatie a unghiului între disc si lectorul optic da un semnal de eroare chiar daca este centrat pe mijlocul pistei (deoarece (it + i2) si (i}+ i4) sunt diferite). Acest semnal poate fi corectat prin introducerea unui factor d. Odata introdus acest factor, semnalul de eroare radiala devine: RE = 2d(i1 + i2 + i3+ i4) - 2(i1 + i2) Compensarea cu acest factor d nu este suficienta, deoarece câstigul sistemului mai este afectat si de alti factori. Daca laserul produce un spot mai putin puternic sau daca discul este bun sau rau reflectant, acestea pot influenta câstigul pâna la 6 ori. Asemenea variatii ale câstigului pot face ca sistemul sa devina instabil, deci trebuie realizat controlul câstigului. Acesta se face prin introducerea unui factor k si odata introdus si acest factor semnalul de eroare radiala devine: -RE = kd(i1, + i2 + i3+ i4) - k(i1 + i2) Problemele care se pun în mod natural sunt: ce sunt acesti factori, de la ce provin si cum pot fi ei corectati? În sistemul Compact Disc este folosit un semnal aditional de frecventa 650Hz, care este injectat în sistemul radial. Ca urmare a acestui semnal bratul lectorului începe sa aiba o miscare oscilatorie cu amplitudinea de 0,lµm. Prin intermediul lectorului optic semnalul este returnat, apoi procesat si trecut prin doua multiplicatoare. Factorul d. Curba din figura 4.24 reprezinta intensitatea luminoasa reflectata de catre disc în functie de pozitia lectorului optic fata de pista. Se observa ca raza reflectata are intensitate maxima atunci când lectorul este pozitionat între piste si minima atunci când acesta este pozitionat exact pe centrul pistei. Efectul semalului de 650Hz care imprima bratului o miscare oscilatorie este aratat în figura3.2.33. Când spotul cade exact pe mijlocul pistei, semnalul reflectat va fi mereu pozitiv deoarece miscarea bratului în oricare din cele doua sensuri are ca efect marirea intensitatii (spotul se departeaza de pozitia de intensitate minima, adica de pista). Atunci când spotul este în partea dreapta a pistei, o deplasare a bratului catre dreapta se va concretiza într-un semnal de întoarcere mai mare (spotul se departeaza de pista), iar o deplasare catre stânga într-un semnal de întoarcere mai mic (spotul se apropie de pista). În consecinta, semnalul de întoarcere este în faza cu semnalul de 650Hz. Din considerente similare, atunci când spotul este în partea stânga a pistei, o deplasare a bratului catre dreapta se va concretiza într-un semnal de întoarcere mai mic (spotul se apropie de pista), iar o deplasare catre stânga într-un semnal de întoarcere mai mare (spotul se departeaza de pista). în consecinta, semnalul de întoarcere este în antifaza cu semnalul de 650Hz. Printr-o detectie sincrona a semnalului de întoarcere este obtinut un semnal de eroare determinat de factorul d. Introdus printr-o bucla de reactie negativa în bratul lectorului optic acesta determina directionarea corecta a spotului pe pista.

30

Factorul k. Pentru ajustarea factorului k este utilizat tot semnalul de 650Hz. în sistemul de urmarire a pistei, faza acestui semnal este puternic influentata de catre câstig. Daca acesta creste sau descreste, deviatia de faza între semnalul original si cel de întoarcere va creste sau va descreste, de asemenea. Ambele semnale vor fi comparate unul cu celalalt într-un detector de faza, al carui semnal de iesire este proportional cu deviatia de faza între cele doua semnale de intrare si în consecinta cu câstigul. în continuare, acest semnal de eroare este folosit tot printr-o bucla de reactie negativa pentru ajustarea factorului k în scopul mentinerii (pe cât posibil) unui câstig constant. III.3 DISCUL COMPACT Suportul pe care se stocheaza informatia este un disc cu substrat transparent, având o singura fata purtatoare de informatie. Modulatia este reprezentata prin mici adâncituri cu deschiderea de 0,4µm si adâncimea de 0,16µm, pentru nivel coborât (0 logic) si suprafete netede pentru nivel ridicat (1 logic). Pasul spiralei este de 0,16µm- Plecând de la caracteristicile laserilor cu semiconductori de tip Ga Al As si de la tehnologia obtinerii discurilor, lungimea de unda minima gravata a fost fixata la 0,78µm. Viteza tangentiala (de defilare prin fata capului) este constanta, având valoarea între 1,2m/s si 1,4m/s si deci viteza de rotatie a discului variaza în functie de pozitia lectorului între 200 rot/min, când acesta este la margine si 500 rot/min când este pozitionat la spirala centrala. Citirea se face dinspre centru spre margine.

Figura 4.3.1.a Discul

compact Dupa cum se

vede în figura 3.3.1.a,b, adânciturile sunt formate într-un strat transparent de macrolan a carui suprafata este acoperita cu un film de aluminiu reflectorizant, care este urmat de un strat protector.

15mm

120mm

Cca 20000 pistesi 6000000000 pits

Zona inre gistra rii

a udio dig ita la

33 m m

1,6um

0,4um

Max 3,2 um

Doua piste adiacente

31

Spotul laser focalizat pe disc are diametrul de 1 µm si va fi reflectat atât de faundul cât si de margiaie adânciturii, reflexii care datorita diferentei de drum vor ajunge defazate la fotodiode. Vor apare, deci interferente. Situatia optima din punct de vedere al semnalului receptioaat ar corespunde anularii acestuia în cazul reflectarii de adâncitura. Aceasta ar corespunde unor adâncimi ale acestora egale cu un sfert din lungimea de unda laser ?l (diferenta de drum de ?l/2) si o largime astfel încât fluxurile energetice, reflectate de catre fundul adânciturii si de catre margini, sa fie egale. Aceasta anulare a semnalului nu convine însa sistemului de aservire radiala a lectorului optic. Compromisul ales este o adâncime de 0,16µm (?l/5) si o largimede 0,4µm pentru un spot laser cu diametrul de 1 µm. Lungimile adânciturilor cât si ale pauzelor cu care alterneaza sunt limitate la 9 valori formate din 3 ... 11 unitati de circa 0,3 µm (mai exact 0,29 µm). Pe un CD pot aparea alternativ adâncituri si pauze ale caror lungimi au valori fixe: 0,87 µm; 1,16 µm; 1,45 µm; 1,74 µm; 2,03 µm; 2,32 µm; 2,61 µm; 2,90 µm si 3,19 µm. Latimea adânciturilor este de 0,4 µm iar distanta dintre axele a doua piste (trasee ale spiralei) este de 1,6 µm. III.3.1 PROCESUL DE FABRICATIE AL DISCURILOR COMPACTE Procesul de fabricatie al unui Compact Disc se aseamana în mare masura cu cel folosit pentru realizarea unui LP. Acesta consta în trei etape: - înregistrarea (digitala sau cu modulatie de frecventaMF) pe banda magnetica a semnalului original care urmeaza sa fie înregistrat pe disc; - realizarea compact discului original; - fabricarea compact discurilor prin presare bucata cu bucata. Banda magnetica mama contine modulatia audio stereofonica, un cod temporal SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers) si informatiile auxiliare. Ce este de fapt acest cod temporal SMPTE? Unele formate de banda magnetica necesita piste auxiliare, pentru un comentariu sau pentru sincronizare. Acest cod temporal SMPTE a fost creat pentru sincronizarea înregistrarilor video, iar apoi s-a extins si la cele audio. Astfel, o banda de 6,3mm contine doua piste de 2mm cu un spatiu de garda de 2 mm, unde este centrata o pista SMPTE de 0,35mm. Informatia de adresa în cod binar zecimal este înregistrata în mod bifazat: o cifra 0 este reprezentata printr-o tranzitie pe o perioada a unui tact de referinta, iar o cifra de 1 prin doua tranzitii. La înregistrarea pe mai multe piste, capetele magnetice contin tot atâtea întrefieruri câte piste sunt pe banda. Sistemul Sony prevede o banda mama pe un înregistrator video cu doua capete rotative si modulatie FM în format U-matic: modulatia audio este înregistrata numeric si pozitionata pe pista video, iar pe cele doua piste audio se pozitioneaza codul SMPTE si informatiile auxiliare. Modulatia audio originala contine eventual o preaccentuare a frecventelor înalte (cu o panta de 20dB/decada între frecventele de 3180Hz si 10600Hz).

32

înregistrarea magnetica este justificata de faptul ca eventualele greseli sau scaderi de interpretare pot fi diminuate prin fragmentarea piesei de înregistrat în pasaje care se înregistreaza succesiv si care se repeta pâna ies bine, sau prin stergerea deficientelor marunte dintr-o fraza muzicala si introducerea în locul lor a echivalentului corect executat. Confectionarea matritelor începe prin transpunerea înregistrarii de pe banda pe CD-ul original. Echivalentul acului analogic este un disc din sticla care are o fata acoperita cu un strat fotosensibil. Procesul necesita precizie si climatizare împreuna cu o deprafuire minutioasa. Informatia citita de pe banda mama este codata în format CDsi apoi EFM. Acest semnal moduleaza un fascicol laser care "scrie" informatia în spirala pe stratul fotosensibil. În final, CD-ul original este acoperit cu un strat subtire dintr-un material reflectant (de regula de argint). Calitatea este controlata prin ascultare si examinare la microscop. Plecând de la CD-ul original prin galvanoplastie este realizata matrita tata (din nichel) care va folosi la producerea unei mari cantitati de discuri. Acestea sunt realizate prin presare, bucata cu bucata, pe un plastic PVC (macrolan special). Dupa acest proces fiecare disc este acoperit cu un strat extrem de subtire din aluminiu si apoi cu un învelis transparent, cu rol de protectie. Acest proces permite productia de masa la un pret competitiv. Sunt realizabile si discuri numerice optomagnetice cu înregistrare-redare prin laser. Stratul magnetic este alcatuit dintr-un material amorf, aliaj de fier cu pamânturi rare (gadolidium Gd, terbium Tb). Inregistrarea se bazeaza pe scaderea câmpului remanent (coercitiv) al materialului magnetic sub efectul încalzirii. Încalzirea se face local prin fascicul laser, iar redarea se bazeaza pe faptul ca o schimbare de magnetizare conduce la o rotatie a planului de polarizare a luminii reflectate (efectul Kerr). Aceste discuri permit însa la ora actuala o densitate de informatie de numai 40 - 50% din cea a sistemului CD, în principal datorita rugozitatii suprafetei stratului. III.4 DETECTAREA ERORILOR SI PRINCIPII DE CORECTIE La redarea unui disc pot aparea perturbatii care cauzeaza distorsiuni ale informatiei sonore. Aceste perturbatii sunt rezultatul zgârieturilor, prafului si al murdariei de pe disc. Sistemele analogice pot foarte greu (daca nu deloc) sa corecteze aceste perturbatii, în aceasta constând principalul avantaj al înregistrarilor audionumerice. a) Detectarea unei singure erori Asa dupa cum s-a mai aratat, pentru a crea posibilitatea detectiei si corectiei unor erori, trebuie introdusi un numar de biti suplimentari, informatia devenind în acest caz redundanta. De exemplu, daca un cuvânt cod este format din patru biti, exista 24=16 valori posibile ale cuvintelor de cod. Daca toate aceste valori sunt folosite în transmiterea

33

informatiei nu mai ramâne nici o valoare pentru detectarea receptiei unui cuvânt de cod eronat. Tabelul 4.1

Adaugarea unui bit, asa numit bit de paritate, permite sesizarea aparitiei unei eroii în cuvântul de cod. Daca numarul de biti de 1 ai cuvântului este par, atunci bitul de paritate va fi 0, iar daca numarul de biti 1 este impar, atunci acesta va fi 1. Astfel, la receptie vor fi numai cuvinte cu numar par de biti 1, aparitia unui cuvânt cu numar impar de biti 1 semnalizând faptul ca acesta este eronat. In tabelul 4.1 este aratat modul în care se adauga bitul de paritate pentru cazul în care cuvintele de cod sunt formate din 4 biti. • Exemplu : Cuvânt de cod de 4 biti A: 110 0; Cuvânt de cod de 4 biti B: 1 0 0 0; Numarul de biti de 1 din cuvântul A este par, deci bitul de paritate ce trebuie adaugat este 0. Rezulta un cuvânt de cod de 5 biti, A: 1 1 0 0 0. In mod analog,

numarul de biti de 1 din cuvântul B este impar, deci bitul de paritate de adaugat este 1, rezultând un cuvânt de 5 biti, B: 1 0 0 0 1 b) Detectarea mai multor erori Pentru a avea posibilitatea de a detecta mai mult de o eroare a cuvântului de cod, adaugarea unui bit de paritate nu mai este suficienta. De exemplu, daca în cuvântul de cod B doi biti de 0 se transforma în doi biti de 1, cuvântul B va avea în continuare un numar par de biti 1. Ce se întâmpla în cazul în care apar doua erori în cuvântul de cod A? A : 00 011 1-A': 010 10 1. Fiecare cuvânt de cod A'n cu doua erori fata de A va diferi fata de acesta în doua pozitii. Atunci când toate cuvintele de cod valide difera fata de cuvântul A în trei pozitii, cuvântul eronat A'n nu va fi niciodata egal cu unul dintre acestea cuvinte valide. In concluzie, în cazul în care toate cuvintele de cod valide difera între ele în trei pozitii, nu va fi posibil sa se obtina un cuvânt valid dupa introducerea a doua erori în cuvântul de cod dat. Generalizând, pentru a fi capabili sa detectam n1 erori aparute într-un cuvânt de cod, toate cuvintele de cod admisibile trebuie sa difere între ele în n1+1 pozitii. Cuvintele de cod A' si B' din exemplul folosit la detectia unei erori îndeplinesc aceasta conditie, deoarece difera între ele în doua pozitii, respectiv la bitul 0 si 3.

34

Tabelul 4.2. Daca pe parcursul transmisiei apar trei erori în cuvintele de cod care difera între ele în patru pozitii, un decodor va fi capabil sa determine cu certitudine daca cuvântul de cod receptionat este eronat, deoarece nu-1 poate confunda cu un alt cuvânt. • Exemplu: Daca pe parcursul transmisiei apar trei erori în cuvântul de cod A, cuvântul receptionat A nu va fi niciodata identic cu B, C sau D, deoarece A, B, C si D difera între ele în patru pozitii. Cuvinte de cod: A : 0 0 0 1 1 1 B : 0 1 1 0 0 1 da =4; C : 1 0 1 0 1 0 D : 1110100 Toate cuvintele de cod A' n continând trei erori fata de A, difera de acesta în trei pozitii, deci difera de A, B, C sau D si nu reprezinta un cuvânt de cod valid (asa cum se poate vedea în tabelul 4.2). In concluzie, daca în cuvântul de cod au fost introduse maxim trei erori, iar distanta minima între cuvintele de cod valide este mai mare sau egala cu patru, un decodor este capabil sa determine cu certitudine daca un cuvânt receptionat este sau nu eronat.

Cuvintele A, B, C si D îndeplinesc conditia dm=4, adica dm= n1 +1. Prin distanta minima între cuvintele de cod (dm) se întelege numarul minim de pozitii prin care difera unul de altul cuvintele de cod. c) Corectia erorilor Exista si posibilitatea de a efectua o corectie a erorilor. Pentru aceasta, circuitul corector de erori trebuie sa contina o lista cu cuvintele de cod corecte. De fiecare data când este receptionat un cuvânt, acesta este comparat cu cele existente în lista si în caz ca nu este cuprins printre acestea, înseamna ca este eronat. Dupa ce a fost detectat cuvântul eronat se fac o serie de comparatii pentru a vedea în câte pozitii acesta difera de cuvântul corect. Cuvântul de cod care difera de cel receptionat într-un numar minim de pozitii este considerat a fi cuvântul care a fost transmis.

35

Tabelul 4.3. Conditia pentru o corectie buna este ca unui cuvânt de cod eronat sa-i fie asociat un singur cuvânt de cod corect. Cuvântul de cod eronat A' al cuvântului corect A nu poate fi egal cu cuvântul eronat B' al cuvântului corect B. Cuvintele eronate A' si B' trebuie sa difere între ele în cel putin o pozitie. Când A' si B' sunt generate prin introducerea unei erori în A si B, A' si B' difera într-o singura pozitie de A si respectiv B. Pentru a crea posibilitatea corectiei, A si B trebuie sa difere unul fata de celalalt în trei pozitii, pentru ca A' sa difere de B în doua pozitii. Daca A' difera de B în cel putin doua pozitii si B' difera de B într-o singura pozitie, A' si B' vor diferi unul fata de celalalt în cel putin o pozitie. în tabelul 4.3 A'1, A'3 si A'4 difera de B în doua pozitii. întrucât A'1, difera într-o singura pozitie de B'1 si B'4, A'4 difera într-o singura pozitie de B'1 si B'4, iar A'4 difera într-o pozitie fata de B'1 si B'3.

În general, pentru a se putea corecta n2 erori, distanta minima între cuvintele de cod valide trebuie sa fie egala cu dm=2n2+1. Deci, pentru a corecta o eroare dm trebuie sa fie cel putin 3. • Exemplu: Este transmis un cuvânt de cod: A: 0 0 0 0 0 0; A este un cuvânt de cod dintr-un sir a carui distanta minima este 3, dupa cum se arata în tabelul 4.4. Datorita unor perturbatii cuvântul receptionat este: A': 0 010 0 0. Daca se compara acesta cu D si H se gaseste ca difera de acestea în trei pozitii; analog fata de C si G în patru pozitii, fata de B si F în doua pozitii si fata de E în cinci pozitii. Atunci când se compara cu A:000000, cuvântul receptionat difera de acesta într-o singura pozitie, deci A se alege ca fiind cuvântul cu care trebuie înlocuit cuvântul eronat A'. Presupunem acum ca avem cazul în care cuvintele de cod valide difera doar în doua pozitii, cum este cazul în tabelul 4.6. Presupunând ca în timpul transmisiei apare o eroare vom examina daca exista posibilitatea corectiei acesteia. Cuvântul de cod receptat va diferi de cuvântul de cod transmis într-o singura pozitie, dar exista mai multe cuvinte de cod ce difera fata de cuvântul receptat într-o singura pozitie.

36

Tabelul 4.4.

Cuvintele de cod urmatoare difera unul fata de celalalt în cel cel putin doua pozitii (dmj2). In cazul în care cuvântul C este cuvântul care este transmis, dar datorita unei perturbari se receptioneaza un bit eronat, de exemplu C': 11 0 1, este usor de detectat ca C este un cuvânt incorect; însa nu este posibil ca sa se stabileasca cu certitudine care anume dintre biti este eronat, deoarece C' difera într-o pozitie de cuvintele de codC, E, Gsi H. In concluzie, daca este receptionat C', decodorul nu este capabil sa determine care dintre C, E, G sau H este cuvântul transmis. Deci, corectarea unui bit eronat pentru cuvinte de cod având o distanta minima dm = 2 nu este posibila. III.4.1 DETECTIA SI CORECTIA SIMBOLURILOR ÎN FORMATE Asa cum am aratat mai înainte, este posibil sa detectam nl erori daca dm=n1+l si sa corectam n2 erori daca dm=2n2+1. In sistemul Compact Disc esantioanele semnalului analogic sunt convertite în cuvinte de 16 biti. Apoi, fiecare cuvânt de 16 biti este împartit în doua simboluri de câte 8 biti înainte de a fi trecut prin codor. În codor 24 de asemenea simboluri sunt combinate într-un format. Întrucât formatele sunt alcatuite din simboluri este logic sa examinam posibilitatea de detectare si

corectie a simbolurilor eronate dintr-un format, în loc de a cauta sa detectam si sa corectam bitii eronati. Apar aceleasi probleme ca la detectia si corectia erorilor de biti. Pentru a detecta n1 simboluri eronate, toate formatele valide trebuie sa difere între ele prin n1+1simboluri, deci: d ds = n 1 + 1 unde dds - distanta pentru detectia simbolurilor eronate. Pentru a corecta n2 simboluri eronate, formatele valide trebuie sa difere între ele în cel putin 2n2+1 pozitii, deci: dcs = 2n2 +1 unde dcs - distanta pentru corectia simbolurilor eronate.

37

Exemplificarea unui format

În sistemul Compact Disc oricarui pachet de 24 simboluri audio i se adauga 8 simboluri de paritate în codor, ceea ce face ca numarul de simboluri într-un format sa fie de 32. De fapt, simbolurile corectoare de erori sunt adaugate în doua codoare distincte; primul adauga 4 simboluri de paritate asociate la cele 24 de simboluri existente, iar al doilea adauga tot patru simboluri de paritate, dar asociate la cele 28 de simboluri provenite de la primul codor, asa dupa cum este ilustrat în figura 4.1. Distanta minima între formate va fi în acest fel: dms = 5 , deopotriva pentru cele 24 sau 28 de simboluri, (dms este distanta minima pentru simboluri). De fapt, în circuitul integrat corector de erori simbolurile de paritate sunt dispuse într-o matrice si informatia unui format este multiplicata cu aceasta matrice.

Figura 4.1

38

Rezultatul acestor multiplicari consta în patru ecuatii, numite sindromuri. Aceste ecuatii fac posibila detectarea si corectia erorilor.

III.4.2 AMESTECARE (SCRAMBLING) SI ÎNTRETESERE (INTERLEAVING) Majoritatea erorilor care apar în timpul redarii se datoresc zgârieturilor, prafului si murdariei pe disc. În consecinta de fiecare data când asemenea defecte apar un numar de simboluri adiacente va fi citit într-un mod eronat. Daca toate simbolurile afectate apartin aceluiasi format, o multitudine de erori pot aparea în fiecare cuvânt si, în concluzie, nu mai poate fi vorba de o corectie. Aceasta situatie poate fi prevenita prin renuntarea la

Tabelul 4.5 înregistrarea grupata a simbolurilor apartinând aceluiasi cuvânt de cod (caz aratat în figura 4.2) si adoptarea unei înregistrari mai întinse prin transpunerea (întreteserea) lor cu simbolurile altor cuvinte de cod, respectând un procedeu fixat. Corespondentul în limba engleza al numelui acestei tehnici este interleaving, iar codul utilizat pentru corectia erorilor este codul CIRC (Cross Interleave Reed-Solomon Code) bazat pe biti de paritate si pe transpunerea (întreteserea) esantioanelor audio. Ca rezultat al acestei tehnici, al doilea simbol al unui format A (A2) va fi înregistrat pe disc dupa un numar fixat de simboluri apartinând unui alt format. Daca apare un defect în urma caruia e afectat un sir întreg de simboluri, acesta nu va face imposibila corectia, deoarece simbolurile afectate apartin mai multor formate diferite. Gratie acestei tehnici, în sistemul Compact Disc este posibila corectarea a pâna la 7 formate, aceasta însemnând 7 blocuri de câte 32 de simboluri. Intreteserea se realizeaza prin intermediul unor linii de întârziere având timpi de întârziere diferiti. Astfel întreteserea are loc între cele doua codoare, dupa cum se arata în figura 4.3. Ca rezultat al acestei tehnici, simbolurile la care primul codor adauga simbolurile de paritate vor alcatui un format cu simboluri complet diferite, pentru care

Figura

39

simbolurile de paritate sunt determinate de cel de-al doilea codor. Primul simbol A, care iese de la primul codor ajunge la cel de-al doilea codor fara întârziere; al doilea simbol A2 ajunge cu o întârziere de 4 simboluri, al treilea simbol A3 cu o întârziere de 8 simboluri s.a.m.d. Al cincilea simbol A5 va constitui împreuna cu Q1 M2,13 si E4 un format pentru cel de-al doilea codor, asa cum se arata in figura 4.3.

Daca nu se poate corecta o eroare prin metoda descrisa mai sus (bazata pe adaugarea simbolurilor de paritate), exista o a doua metoda de reconstituire a valorii care aproximeaza valoarea corecta cu precizie cât mai mare posibila. Aceasta metoda se numeste interpolare si se bazeaza pe faptul ca semnalele analogice sunt semnale continuie care nu pot în general sa sa-si schimbe foarte brusc valoarea. Amplitudinea unui semnal în timpul primului esantion nu difera foarte mult fata de cea din timpul celui de-al doilea esantion, iar a celui de-al treilea nu difera foarte mult de a celui de-al doilea s.a.m.d. Daca valoarea celui de-al doilea esantion nu poate fi

Fig 4.4

Fig 4.3

40

corectata, dar se cunosc în schimb valorile primului si celui de-al treilea esantion, se poate aproxima cu destula precizie amplitudinea celui de-al doilea esantion. Pentru a aplica aceasta metoda, simbolurile cuvintelor de cod sunt schimbate (amestecate) între ele astfel încât citirea simbolului A1, (din cuvântul de cod A) este urmata de citirea simbolului A3 (în loc de A2) si apoi de A5 s.a.m.d (fig. 4.4). Corespondentul în limba engleza al acestei tehnici este scrambling. Daca o perturbare provoaca receptia gresita a lui A3 si A5, iar corectia este imposibila, mai ramân totusi simbolurile A1, A2, A4 si A6 , care permit calcularea valorilor A3 si A5 prin interpolare. Un exemplu de amestecare (scrambling) si întretesere (interleaving) pentru patru simboluri este prezentat în figura 4.5 . S-au considerat doar 4 simboluri pentru ca urmarirea exemplului sa fie mai usoara. Un exemplu de utilizare a întreteserii esantioanelor înregistrate în vederea corec tiei erorilor este prezentat în figura 4.6.

Fig. 4.4

41

Fig.4.5

42

În prima coloana se observa ca, în cazul în care semnalul este memorat în ordine fireasca, aparitia unei erori înlantuite (în cazul nostru lipsa esantioanelor 5,6 si 7) semnalul rezultat dupa codificare nu poate fi refacut. In coloana din dreapta, acelasi fenomen, datorita memorarii întretesute (transpuse) face sa dispara esantioanele 2,4 si 7. Dupa rearanjare se observa ca eroarea înlantuita a fost transferata în trei erori secundare, aleatoare care pot fi corectate usor prin interpolare. Esantioanele refacute prin interpolare au fosl figurate cu linie punctata.

Prin utilizarea codului CIRC se permite pierderea la citire a pâna la circa 12000 biti succesivi, care ocupa pe spirala discului circa 8,5 mm (ceea ce înseamna foarte mult, daca se tine cont de dimensiunile discului). III.4.2 MODULAREA DE CANAL Asa cum s-a mai aratat, modulatia de canal trebuie sa îndeplineasca urmatoarele conditii: sa permita autosincronizarea, sa permita citirea la o densitate ridicata a informatiei, sa aiba o putere spectrala scazuta în joasa frecventa, sa aiba un coeficient mic de propagare a erorilor. Cum bitul de tact trebuie sa fie regenerat din cuvintele de cod, dupa citirea de pe disc, autosincronizarea este obligatorie. Aceasta se realizeaza prin minimizarea, pe cât posibil, a distantei maxime între tranzitiile sus-jos (high-to-low) si jos-sus (low-to-high).

Fig. 4.6

43

Spotul luminos care este utilizat pentru citire are dimensiuni finite. Acest lucru poate conduce la interferente între simboluri din cauza densitatii mari de informatie aflata pe disc. Pentru a preveni acest lucru, distanta minima între tranzitii trebuie sa fie cât mai mare posibil. Este de dorit a avea o putere spectrala mica la frecvente joase, deoarece componentele de joasa frecventa si de curent continuu conduc la interferente cu servosistemul. Propagarea erorilor trebuie sa fie cât mai redusa pentru a limita influenta ei si pentru a micsora marimea configuratiei hard necesara pentru corectia erorilor. Pentru modularea de canal se foloseste codul EFM (8 din 14). Necesitatea codului de canal rezulta datorita formei nepotrivite a secventelor de date binare, dupa codarea semnalului util cu codul corector de erori. Formatul numit fara trecere prin zero NRZ cuprinde serii de 1 si 0 de lungimi oarecare. Din succesiunea de date existente sub aceasta forma, la redare nu s-ar putea recunoaste bitul de tact. Totodata componentele de joasa frecventa ale acestui semnal (date de succesiuni lungi de 1 sau 0) ar putea interfera cu servomecanismul care comanda deplasarea si focalizarea razei laser. Datele prezentate în acest format NRZ trebuie codificate, deci, cu un cod care sa asigure regenerarea bitului de tact si o tranzitie cu o frecventa mai mare a trecerilor din 1 în 0 si din 0 în 1. Aceste cerinte le îndeplineste codul EFM (8 din 14). Acest cod atribuie fiecarui grup de 8 biti din secventa de date, un cuvânt de cod de 14 biti. Din cele 214 cuvinte posibile se aleg acelea care au cel putin 2 biti de 0 între 2 biti de 1 succesivi, dar nu mai mult de zece zerouri alaturate. Sunt selectate astfel 256 de combinatii posibile, deci exista o corespondenta biunivoca între datele NRZ pe 8 biti si datele EFM pe 14 biti. Un cod de conversie poate fi usor realizat cu ajutorul unui tabel care este stocat într-o memorie ROM. Blocurile de 14 biti astfel realizate nu pot fi înseriate fara a se încalca restrictia alaturarii a cel mult zece zerouri. De aceea, între aceste blocuri se plaseaza câte trei biti de insertie, care nu contin nici o informatie si care vor fi omisi la decodificare, asa dupa cum se arata în figura 4.7. Continutul bitilor de insertie este astfel ales încât sa controleze si componenta de curent continuu a secventei de date, prin adaugarea sau omiterea unei tranzitii. Decizia este bazata pe cunoasterea unuia sau mai multor simboluri viitoare. Deci, se cunosc simbolurile care urmeaza, iar bitii de insertie sunt alesi tinând cont de acestia. Informatia transmisa este continuta în pozitia tranzitiilor. Componenta de curent continuu a secventei de date trebuie sa fie cât mai redusa, iar acest deziderat se realizeaza prin controlul valorii sumei digitale a bitilor de canal. Aceasta se realizeaza prin integrarea fluxului de date si prezinta o panta crescatoare la tranzitiile din 0 în 1 (low-to-high) si descrescatoare la tranzitiile din 1 în 0 (high-to-low). în situatia data (fig. 4.8), se prezinta trei variante de

44

alegere a bitilor

de inserti

e (alesi

în primul

rând astfel încât

sa nu se

încalce

restrictia

alaturarii a

cel mult zece

zerouri), si anume

: 000,010,001. Dintre aceste

grupuri, ultimele doua, respectiv 010 si 001, ar face ca valoarea sumei digitale pentru bitii de canal care urmeaza sa creasca (dupa cum este figurat cu linie punctata), si deci sa se departeze de zero, acest lucru având ca efect cresterea componentei de curent continuu (lucru care este suparator, dupa cum s-a mai aratat). De aceea, se alege grupul de biti de insertie 000, care

Fig. 4.8

45

face ca valoarea sumei digitale sa oscileze în jurul valorii de zero si componenta de curent continuu sa fie cât mai redusa. Deoarece EFM este bazat pe structura de bloc cu date de intrare pe 8 biti, este foarte potrivita adoptarea unui cod corector de erori CIRC care este, de asemenea, bazat pe blocuri de 8 biti de date consecutivi. Propagarea erorilor este limitata la 8 biti de date, care formeaza un simbol. Pentru a exista posibilitatea de autosincronizare este necesara introducerea unei sincronizari. Aceasta se realizeaza prin împartirea secventei de date în formate si adaugarea la fiecare format a unei secvente unice (pattern în engleza) pentru sincronizare. Fiecare format contine:

Fig. 4.9

46

- o secventa speciala pentru sincronizare; - 12 cuvinte de date de câte 16 biti fiecare; - 4 cuvinte de paritate pentru corectia erorilor de câte 16 biti fiecare; - un simbol pentru comanda si afisaj de 8 biti. Cuvintele de paritate si de date sunt împartite în câte doua blocuri de câte 8 biti înainte de codarea EFM. Numarul total de biti de canal pentru un format va fi de 588 de biti plasati astfel: - secventa de sincronizare: 24 biti de canal - semnalizare (comanda si afisaj): 1 x 14 biti de canal - date audio (16 esantioane canal dreapta): 12 x 14 biti de canal - date pentru corectia erorilor în codul CIRC: 4 x 1 4 biti de canal - date audio (16 esantioane canal stânga): 12 x 14 biti de canal - date pentru corectia erorilor în codul CIRC: 4 x 14 biti de canal - insertie si control de c.c: 34 x 3 biti de canal Total 588 biti de canal In figura 4.9 este ilustrat un exemplu de format cu 6 esantioane. Sunt 12 x 2 x 14 biti de canal pentru datele audio, deoarece fiecare format contine 6 esantionane audio pentru fiecare canal (stânga si respectiv dreapta), iar fiecare esantion contine doua simboluri. Datele pentru corectia erorilor se adauga, de asemenea, pentru fiecare canal. Pentru frecventa de esantionare de 44,1 kHz utilizata în sistemul CD informatia înregistrata într-un format corespunde unei durate de 136µs. La viteza de l,2m/s aceasta ocupa pe spirala discului o lungime de 163µm.

Fig.4.10

47

în figura 4.10 este aratat un exemplu de format care contine, pentru simplitate, doar 4 esantioane. III.5 SISTEMUL DE SEMNALIZARE (COMANDA SI AFISAJ) Dupa demodulare, 8 elemente binare pentru fiecare format sunt disponibile pentru cerinte de comanda si afisaj. Aceste elemente binare sunt numite P-Q-R-S-T-U-V-W si constituie opt cai de semnalizare diferite. Caile de semnalizare sunt definite astfel: - calea P: simplu indicator (flag) de separare ale elementelor de program; calea Q: pentru cerinte de comanda, de exemplu numarul elementului de program si timpul. Caile de la R la W nu sunt înca definite. III.6 Sistemul DAT si DCC Sistemul de inregistrare digitala, audio, pe banda magnetica DAT (Digital Audio Tape) Principiul de functionare a inregistrarilor DAT se bazeaza pe înregistrarea elicoidala, asemanatoare cu cea folosita în inregistrarea video, folosind un tambur rotativ pe care sunt montate doua capete de înregistrare. Sistemul a fost lansat de firma Sony si a cunoscut o dezvoltare cosiderabila dupa anii 1983 – 1990 fiind utilizata frecvent în studiourile profesionale. Produsul este relativ ieftin si permite înregistrarea numerica a doua canale audio, cu toate avantajele procesarii digitale, putind fi stocate cantitati mai mari de informatie (aprozimativ 1,3 G octeti pe o banda de 2 ore), raportat la dimensiunile si costurile unei casete. Prezentarea principiului de functionare a standardului DAT, comparative cu videomagnetoscopul classic. Banda magnetica este infasurata intr-o caseta asemanatoare cu caseta audio analogical, pe o rola debitoare, de unde, printr-un sistem mecanic foarte asemanator cu cel de la magnetoscop (formatul de 8mm) este pozitionata în jurul tamburului cu capete magnetice rotative. Diferenta fata de standardele video (VHS, 8mm) consta în faptul ca banda infasoara tamburul cu capete numai pe un unghi de 90°. Rezulta o portiune mai mica de banda în contact cu tamburul rotativ si deci o durata de viata mai mare a ambelor elemente.

48

90

Ch1 Ch2

Φ=30mm

Caseta DAT

Tamburul cu capetemagnetice

aΘ

0,5mm pista optionala

W=

2,6

1m

m

A=

3,8

1m

m

Directia

de de

plasar

e a ca

pului

Lazi

muth+2

0º

azimuth

-20º

V banda

Detaliu de inregistrare pe o portiune a benzii DAT In cazul formatului DAT se foloseste tehnica utilizata la formatul video 8mm de urmarire a pistelor, prin introducerea unei frecvente pilot (sisteme ATF – Automatic Track Finding). Datele referitoare la informatia audio sunt procesate PCM (Puls Code Modulation). In afara datelor referitoare strict legate de informatia audio, se mai inregistreaza biti necesari la interconectarea si recunoasterea blocurilor de date, similar ca pentru un CD. Tamburul cu capete este asemanator cu cel folosit la videocasetofoane, diametrul fiind dupa caz 30m sau 15mm. Turatia tamburului este de 2000 rot/min. Cele 2 capete au azimuturi încrucisate avind inclinarea de ± 20°. Tamburul cu capete este înclinat fata de banda cu un unghi de 6°23’. In figura 6.1 sunt date citeva detalii constructive a sistemului de înregistrare si a structurii benzii DAT. Prelucrarea numerica a datelor audio. Standardul DAT prevede o frecventa de esantionare de 48 KHZ. Optional se mai folosesc si frecvente de esantionare a semnalului audio de 44,1 KHz si 32 KHz. Alegerea frecventei de esantionare respecta teorema esantionarii, prezentata în cazul inregistrarilor video analogice sau CD (cap. III.2). Se foloseste cuantizarea liniara, cu 16 biti, adica 65536 de intervale de cuantizare, similar ca la CD, iar în cazul inregistrarii long-play, la turatie redusa la 1000 rot/min, se foloseste cuantizarea liniara cu 12 biti. Esantioanele, dupa operatia de cuantizare, sunt convertite de un convertor AD în semanl digital, fiecarui esantion alocindui-se 16 biti, respective 12 biti. Ca si în cazul inregistrarilor video digitale, dupa conversia analog-digitala, pot apare serii lungi de “0” sau “1”, ceea ce creste ponderea componentei continue în spectrul semnalului digital. Pentru evitarea acestui neajuns se foloseste modulatia de canal 8/10 (Eight To Ten - ETT). Prin acest procedeu, fiecarui octet

Fig.6.1

49

(8biti) i se aloca un cuvint de card de 10 biti, dar cu un numar limitat de cifre “0” sau “1” consecutive. In continuare, se procedeaza asemanator ca si în cazul CD, adaugindu-se biti de paritate, de detectie si corectie a erorilor folosindu-se un cod Reed-Solomon. Toata aceasta succesiune de date digitale formeaza aria PCM si este organizata în 128 blocuri a 288 bit i fiecare. Fiecare bloc de 288 biti cuprinde: - 8 biti de sincronizare - 8 biti de identificare W1 - 8 biti de adresa bloc W2 - 8 biti de cuvinte de paritate M - 256 biti de date (32 simboluri de 8 bit i) In afara blocurilor PCM, pe fiecare pista oblica mai sunt inregistrate arii de date denumite SUB1 si SUB2 care stocheaza informatii privitoare la continutul benzii, deasemeni mai exista arii ATF de urmarire a pistei. Toate aceste arii sunt interconectate prin spatii interbloc IBG (Inter Block Gaps) având lungime de 3 sau 5 blocuri. Cu aceste precizari, structura unei piste DAT este aratata de figura 6.2. IBG 8

SUB1 IBG 3

ATF 5

IBG 3

PCM 128 blocuri X 288 biti

IBG 3

ATF 5 bl

IBG 3

SUB2 IBG 8

O pista completa contine 196 de blocuri de date. Dintre acestea 128 sunt folosite pentru informatia audio PCM iar restul au rol de buna functionare a sistemului. Din figura 6.2 se observa ca informatiile de subcod si PCM pot fi scrise si sterse independent. Sistemul de urmarire automata a pistelor ATF Spre deosebire de formatul video 8mm, în sistemul DAT nu este prevazuta nici o pista de control pentru sincrnizarea rotat iei tamburului cu capete fata de pistele elicoidale. Este pastrat totusi principiul folosit la video 8mm prin care sunt înregistrate în componenta pistei elicoidale niste frecvente pilot, patru la numar, cu ajutorul carora servomecanismul ce roteste tamburul cu capete reuseste sa plaseze fiecare cap de citire audio exact pe pistele elicoidale corespunzatoare. Cele pentru frecvente sunt urmatoarele: f1 – semnal pilot cu frecventa 130,67 KHz f2 – semnal de sincronizare 1, cu frecventa 522,67 KHz f3 – semnal de sincronizare 2, cu frecventa 784,00 KHz f4 – semnal de stergere cu frecventa de 1,568 KHz. Datele prelucrate digital sunt grupate în cadre. Un cadru de date este inregistrat la o rotatie completa, întâi cu capul A apoi cu capul B, deci un cadru se

50

va întinde pe doua piste eliciodale vecine. Pista A se înregistreaza cu azimut pozitiv +20° iar pista B cu azimut negativ -20°. Pentru o mai buna protectie la zgomote, zgirieturi sau alte microdistrugeri a informatiei de pe banda, esantioanele pare sunt despartite de esantioanele impare în cadre diferite. (Asemanator cu procedeul screambling din structura codului Reed Solomon). Cu aceste precizari, portiunea cu modulatie PCM încadrata de doua segmente ATF din figura 6.2 este prezentata mai detaliat, sub forma pistelor elicoidale alaturate din figura 6.3. Deplasare cap ?

IBG F3 F4 F1 IBG CAP B

F3 IBG F1 F4 F3 F4 F4 IBG

_____ATF 1_____ _______ATF 2________ 5 blocuri ?? cadru impar PCM 5blocuri Capul A inregistraza esantioanele pare ale canalului sting în prima jumatate a ariei PCM de pe pista iar în a doua jumatate înregistraza esantioanele impare ale canalului drept. In mod similar capul B înregistreaza în prima jumatate a pistei PCM esantioanele pare ale canalului drept si apoi în a doua jumatate a pistei esantioanele impare ale canalului stâng. In timpul redarii, capul de citire, care are o latime de 20 µm. citeste pista proprie, cu o latime a = 13,59 µm si primeste informatii si de pe pistele adiacente. Informatia PCM de pe pista proprie este citita cu azimut normal în timp ce informatiile PCM de pe pistele vecine sunt citite cu azimut opus. Semanlului digital PCM, dupa modulatia de canal este de înalta frecventa (peste 3 MHz) si dupa cum se stie frecventele înalte nu sunt citite daca azimutul este încucisat. Pentru semnalele f1 – f4 considerate de joasa frecventa, citirea de pe pistele vecine, (sub forma de semnul de diafonie) este posibila, si în acest fel, procesorul servomecanismului are informatia necesara pentru a decide daca pis ta respectiva este corect citita de capul respectiv. Structura casetei DAT Caseta DAT are o constructie asemanatoare cu cea folosita la casatele video, DVD – 8mm. Dimensiunile casetei sunt 73X54X10,5 mm. Latimea benzii este 3,81 mm, asemanatoare cu cea de la casetele audio analogice. Viteza de deplasare a benzii este de numai de 8,15 mm/s, asigurind o durata de peste 2 ore a inregistrarii audio. Tabele comparative DAT DCC.

Fig. 6.3

51

III. 7 Sistemul DCC Generalitati Spre deosebire de Compact Disc (CD) sistemul DCC (Digital Compact Casette) inregistreaza informatia audio sub forma digitala, dar pe o banda magnetica materializata sub forma unui casete foarte asemanatoare cu cea folosita în casetofoanele analogice clasice. Datorita acestui lucru apar urmatoarele deosebiri fata de tehnologia prezentata la CD. • Înregistrarea datelor pe banda magnetica se face cu ajutorul unui cap magnetic, asemanator doar în principiu cu cel folosit la casetoafoanele analogice si nu cu ajutorul unui fascicul laser, ca la CD. • Folosirea capetelor magnetice limiteaza debitul de informatie (frecventa maxima) ce poate fi transferata spre suportul magnetic al benzii. (Aceasta limitare a fost pusa în evidenta si la prezentarea capetelor magnetice ale aparatelor video analogice si digitale.) Pentru micsorarea debitului de informatie, se recurge, (asemanator ca si în cazul capetelor video digitale.) la realizarea unui cap complex format practic din 9 capete individuale, înregistrarea facindu-se simultan pe 9 piste paralele, (8 piste sunt pentru date iar pista a 9 a este pentru semnale de sincronizare) Pentru o reducere în continuare a debitului de informatie, se folosesc diferite artificii de prelucrare digitala cu rolul de comprimare adaptiva a datelor. Este vorba de codorul PASC (Precision Adaptive Sub-band Coding) care permite o compresie de aproximativ 4:1 a debitului semnalului digital de audiofecventa. Acest procedeu se bazeaza pe caracteristicile de audibilitate a urechii unamne. Pentru detectia si corectia erorilor de folosesc codoarele C1 C2 Reed - Solomon întîlnite si explicate pe larg la sistemul CD. Schema bloc

52

(L)

(R)

IN

OUTDigital

I / O

ADC

DAC

Filtrusubbanda

CODOR /DECODOR

CORECTIE ERORI

MODULATIEDE CANAL 8 - 10

Sincroaux

8

1

8

1

Cap magnetic

Banda

(R)

(L)Servoinf. aux.

PASC CIRC

Sectiunea I Sectiunea II Sectiunea III

Fig 7.1 Schema bloc principala numai pentru calea de semnal a unui sistem DCC este prezenta în fig. 7.1 si contine 3 parti importante: • Sectiunea I de interfata intrare iesire Aceasta sectiune preia semnalele audio stereo (L, R) si le transforma în semnale digitale primare, cu ajutorul unui convertor analog/digital (ADC). Tot în aceasta sectiune se incadreaza si sis temul de intrare iesire digitala pe care o poate avea aparatul. În fine tot în aceasta sectiune se incadreaza si convertorul de iesire analogica, compus dintr-un convertor digital/analogic (DAC) • Sectiunea II în care se realizeaza prelucrarea digitala, (compresia PASC, codarea CIRC, modulatia de canal, generarea semnalelor auxiliare, etc.) • Sectiunea III în care informatia digitala în forma finala este amplificata si cu ajutorul capetelor speciale este înregistrata sau citita de pe banda magnetica. III.7.1 Sistemul de înregistrare/redare pe banda Referitor la fig. 7.1, diferenta fata de blocurile cunoscute deja de la CD consta în codorul PASC si sistemul de capete magnetice. Aceste subansamble vor fi prezentate mai pe larg în continuare. Dupa cum se stie, urechea umana percepe sunetele (adica vibratii mecanice ale mediului) care se situiaza în domeniul de frecventa situate aproximativ intre 20 de

53

Hz si 20 KHz, dar sensibilitatea urechii este diferita, functie de frecventa . Aceasta particularitate, este analizata mai pe larg în cap III. 1.

10

20

30

40

40

50

60

70

80

[dB]Nivel sunet

0,02 0,5 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20

f[KHz]

S1

S2

10

20

30

40

40

50

60

70

80

[dB]Nivel sunet

0,02 0,5 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20

f[KHz]

S1

S2

S3

Pragul normal de audibilitatePragul de audibilitate modificatdatorita sunetului puternic S3

Fig. 7.2. a fig. 7.2. b. In fig. 7.2.a este prezentata din nou caracteristica medie de audibilitate , unde sunt prezentate si doua tonuri (doua sunete de frecvente diferite) notate S1 si S2. Se observa din figura ca S1 este sub pragul de audibilitate iar S2 este peste pragul de audibilitate . In aceasta situatie, daca sunetul S1 va lipsi, urechea umana nu va sesiza acest lucru. În figura 7.2.b se completeaza sursa ramasa, cu înca un sunet S3 de amplitudine mai mare. Se observa ca pragul de audibilitate se modifica, astfel încât sunetul S2 devine sub pragul de audibilitate si în aceasta situatie, chiar daca S2 va lipsi ureche umana nu va sesiza lipsa. Fenomenul se numeste “efect de mascare” pe care un sunet puternic il are asupra sunetelor care sunt apropiate de aceasta ca frecventa . Codarea PASC se bazeaza pe aceasta proprietate fiziologica a urechii si va elimina din spectrul sonor ce urmeaza a fi prelucrat , în mod adaptiv, componentele sonore ce sunt la un moment dat sub pragul de audibilitate. III.7.2 Codorul PASC – principiul de functiune O caracteristica a codorului PASC consta în divizarea benzii audibile intr-un numar de 32 subbenzi având fiecare o latime de aproximativ 750 Hz. În figura 7.3 este prezentata structura subbenzilor, numerotate Sb0….. Sb31. Acestea sunt figurate în partea inferioara a figurii 7.3, care mai contine curba de audibilitate normala, în lipsa semnalelor puternice si un numar de nivele spectrale ale unui sunet compus. Din figura 7.3 rezulta urmatoarele: a) o serie de frecvente corespunzatoare subbenzilor ce au nivele sub pragul de audibilitate (de mascare) pot lipsi din prelucrarea digitala; b) pentru fiecare amplitudine spectrala dintr-o subbanda, se defineste o marime ? Sbx care arata cu cit se depaseste pragul de mascare. Se poate constata ca de

54

exemplu desi nivelul amplitudinii Sb3 este apropiat ca marime de nivelul amplitudinii Sb24, totusi ? Sb3 este sensibil mai mare decit ? Sb24. Bazindu-ne pe aceasta observatie numarul de biti ce se va aloca pentru a se face codarea nivelului pentru fiecare subbanda va fi diferit. Se vor aloca un numar de 15 biti pentru codarea amplitudinilor mari ale oricarei subbenzi si proportional numar mai mic de biti daca amplitudinea este mai mica. Simultan se vor aloca si un numar suplimentar de 6 biti pentru a arata cu cîti biti se codeaza fiecare subbanda. Procedeul este asemanator cu reprezentarea logaritmica folosind mantisa si caracteristica unui logarithm. Asupra acestui lucru vom reveni în continuare.

10

20

30

40

40

50

60

70

80

[dB]Nivel sunet

f[KHz]

20 750 1500 2250 3000 240002325022500217502100020250

Sb31Sb30Sb29Sb28Sb27Sb0 Sb1 Sb2Sb3

Sb26Sb25Sb24

115001075010000

Sb3

Sb2

4

Pragul de audibilitateNivel sunet corespunzatorsubbenzii Sb3

Fig. 7.3 Din jocul numarului de biti acordati pentru exprimarea nivelului fiecarei subbenzi se obtine o compresie a informatiei digitale. Avind facute aceste precizari, etapele parcurse de semnalul AF digital, esantionat cu o frecventa fs = 48 MHz, sunt urmatoarele: Faza I: divizarea semnalului digital corespunzator semnalului audio analogic pentru cele 2 canale (steseo) în subbenzi. Debitul semnalului digital neprelucrat este dat de frecventa de esantionare si de numarul de biti cu care se face codarea fiecarui esantion. Fie fs = 48 KHz si numarul de biti pentru fiecare esantion, m = 16 Rezulta debitul bitilor 2 x 16 x 48000 = 1536 Kbiti/s. Divizarea în subbenzi nu se face prin filtrare analogica, acest lucru fiind practic imposibil, datorita distorsiunilor de aliere pentru frecventele vecine în subbenzi. Separarea se face prin metode numerice, prin calcule. La iesirea filtrului se obtin semnalele pe cele 32 subbenzi (32 iesiri). În timpul procesarii în filtru are loc o supraesantionare. Procedeul consta în dublarea artificiala a frecventei de esantionare, obtinindu-se esantioane suplimentare prin interpolarea a 2 esantioane vecine. În acest fel se creste si numarul de reprezentare a fiecarui esantion de la 16 la 24 biti / esantion. Rezultatul acestui procedeu, care nu schimba cu nimic principiul de prelucrare

55

ulterior este o reducere a zgomotului de esantionare si cuantizare precum si o separare ulterioara mai buna a semnalului analogic refacut prin indepartarea produselor spectrale si deci o filtrare analogical mult mai buna. Blocul de baza audio este secventa de 8 ms. Aceasta cuprinde 12 esantioane din cele 32 subbenzi adica 32 x 12 = 384 esantioane. Fiecarui esantion, dup ace trece prin filtru si este separat în 32 d subbenzi, i se repartizeaza 32x16 biti / esantion = 512 biti. Faza II: În aceasta faza sunt eliminate esantioanele pe subbenzi, care sunt situate sub pragul de mascare. Semnalelor audibile ramase li se atribuie un anumit numar de biti, care este variabil functie de pragul de audibilitate si de nivelul absolut al esantionului din subbanda selectionata. Numarul cel mai mic de biti atribuit este 2 pentru frecvente situate la limita pragului de audibilitate iar numarul maxim este 15 pentru zona de sensibilitate maxima a urechii. Daca sunetul din banda respectiva este puternic, numarul de biti alocati este mai mare. Faza III: În aceasta faza se obtine formatul PASC al informatiei digitale a semnalului audio. Pentru fiecare subbanda, exprimarea valorii celor 12 esantioane se face prin 2 secvente. Prima parte costituie un factor de scala si este formata din 6 biti si exprima valoarea esantionului celui mai important, prin 26 = 64 nivele. A doua parte contine 2 pina la 15 biti si exprima valoarea esantionului având ca referinta factorul de scala. Acest mod de exprimare este asemanator cu exprimarea logaritmilor folosind caracteristica si mantisa. Forma finala a semnalului digital codat PASC se obtine dupa adaugarea informatiilor suplimentare cu privire la numarul subbenzii, numarul de biti alocati, semnale de sincronizare obtinindu-se un debit de 3072 biti pentru 12 esantioane ce dureaza 8 ms. Aceasta corespunde la 3072:0,008 = 384 kbiti/s. Comparind aceasta valoare cu debitul initial de 1536 Kbiti/s se constata o compresie de 1536:384 = 4 ori, specifica pentru codorul PASC. Dupa parcurgerea etapelor enumerate mai sus, semnalul digital comprimat PASC se supune unor prelucrari asemanatoare ca în cazul CD si anume se introduce bitii suplimentari de corectie a erorilor, se aplica o codare “Reed Solomon” apoi o modulatie ETT (8 din 10). La finalul acestor procese se obtine o crestere a debitului de informatie la 768 Kbiti/s. Acest flux de biti este distribuit pe 8 capete de înregistrare/redare, astfel incit debitul de înregistrare pentru un singur cap va fi 768:8 = 96 Kbiti/s. Suplimentar pe al 9-lea cap de înregistrare se introduc date auxiliare avind un debit de 6,75 Kbiti/s, la care se adauga bitii de corectie a erorilor, modulatia 8-10, biti de sincronizare, ceea ce conduce la un debit final de 12 Kb/s, toate aceste procese sunt prezentate schematic în fig. 7.4 si în tabelul 7.1.

56

CANMUX

CODOR PASC

CORECTIAERORILOR

Modulatie 8 - 10biti sincro

Amplificatordistribuitorpentru8 capete

CAPmultiplu

CORECTIAERORILOR

Modulatie 8 - 10biti sincro servo

Amp.

C1

C8

C9

DCBACanalstinga

Canaldreapta

fs=48KHz

IN/OUTnumeric

Informatiesistem 6kbit/s

Bandamagnetica

GFEInformatieauxiliara

Fig. 7.4 Tabel 7.1

Realizarea capetelor magnetice speciale pentru DCC Dupa cum s-a aratat este vorba despre un ansamblu combinat din 9 capete magnetice duble (înregistrare si redare) la care se adauga si 2 capete magnetice pentru redarea casetelor înregistrate audio analogic. Capetele sunt construite în tehnologia peliculelor subtiri (TFH) folosind elemente magneto-rezistive (MRE). Aceste elemente prezinta o rezistenta electrica variabila functie de cimpul magnetic înregistrat în banda. In figura 7.5 este prezentata structura unui cap complex folosit în DCC. Se constata din figura ca aceasta structura complexa de înregistrare redare este constituita din urmatoarele 3 seturi de capete: § un set de 9 capete de redare numerica, magnetorezistive (MRH) avind latimea de 70 µm.

Pct din sistem Debitul de informatie [ Kbiti/s}] A: semnul convertit numeric pe 16 biti doua canale L, R

16 x 2 x 48 = 1356

B: compresie PASC 1536 : 4 = 384 C: se introduce biti de corectie a erorilor si codare Reed Solomon

(corectie + codare) x (384 + 6) = 576

D: modulator 8/10 date sincronizare 768 C1…..C8 768 : 8 = 96 E: informatii auxiliare 6,75 F: se introduce biti de corectie a erorilor si codare Reed Solomon

9

G: modulatie 8/10 si sincronizare FG 12

57

§ un set de 9 capete de înregistrare magnetica numerica avind latimea de 185 µm § un set de 2 capete magnetorezistive pentru redare analogica.

9 capete de inregistrare numerica

9 capete de redare numerica (MRH)

R L

2 capete MRH cu latimea de 600um pentru redare analogica

Fig.7.5 In figura 7.6 este prezentat schematic un cap DCC cu “autorevers” pozitionat în fata benzii magnetice.

Cap redare 70 um

Cap inregistrare 180um

Capete de redare analogica

Rotatie autorevers

Cap magneticDCC

Banda magnetica

Fig.7.6 Banda magnetica pe care se face înregistrarea DCC are dimensiunile mecanice ale casetei analogice audio în scopul pastrarii compatibilitatii: § dimensiunea benzii este de 3,78 mm (latime) § viteza de deplasare a benzii 4,76 m/s § dimensiunile casetei din plastic sunt asemanatoare cu cele ale casetei analogice